Формирование эпитаксиальных слоев 3C-SiC на Si методом быстрой вакуумно-термической обработки

  • Михаил Владимирович Лобанок Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Станислав Леонидович Прокопьев Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Максим Александрович Моховиков Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Ольга Васильевна Королик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Петр Иванович Гайдук Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Представлены результаты исследования структуры и фазового состава эпитаксиальных слоев карбида кремния (SiC), сформированных на кремниевых подложках с ориентацией (100) при быстрой вакуумно-термической обработке. Методами просвечивающей электронной микроскопии установлено образование эпитаксиальных слоев кубического политипа SiC (3C-SiC) на кремнии в процессе карбидизации при 1100 °С в течение 30 с при использовании в качестве источника углерода газовой смеси пропана (10 %) и аргона (90 %). Обнаружено формирование монокристаллического 3С-SiC с поликристаллическими включениями и двойниками по всем возможным плоскостям {111}. Достаточно узкая полоса 793 см–1 поперечной оптической фононной моды SiC в спектре комбинационного рассеяния света подтверждает образование 3С-SiC. Отмечено, что наличие спектральной линии 180 см–1 и полуширина полосы 793 см–1 в спектре комбинационного рассеяния света свидетельствуют о присутствии дефектов деформации в SiC.

Биографии авторов

Михаил Владимирович Лобанок, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий. Научный руководитель – П. И. Гайдук

Станислав Леонидович Прокопьев, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший преподаватель кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Максим Александрович Моховиков, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник лаборатории элионики

Ольга Васильевна Королик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; заведующий научно-исследовательской лабораторией энергоэффективных материалов и технологий кафедры энергофизики физического факультета

Петр Иванович Гайдук, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук; профессор кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Литература

  1. Ferro G. 3C-SiC heteroepitaxial growth on silicon: the quest for holy grail. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2015;40(1):56–76. DOI: 10.1080/10408436.2014.940440.
  2. Shenai K, Scott RS, Baliga BJ. Optimum semiconductors for high-power electronics. IEEE Transactions on Electron Devices. 1989;36(9):1811–1823. DOI: 10.1109/16.34247.
  3. Aldalbahi A, Li E, Rivera M, Velazquez R. A new approach for fabrications of SiC based photodetectors. Scientific Reports. 2016;6(1):23457. DOI: 10.1038/srep23457.
  4. Skibarko IA, Milchanin OV, Gaiduk PI, Komarov FF, Marks J, Pastuszka B, et al. Structural and optical properties of GaN/SiC/Si heterostructures grown by MBE. In: Ploog KH, Tränkle G, Weimann G, editors. Compound semiconductors – 1999. Proceedings of the 26th International symposium on compound semiconductors; 1999 August 22–26; Berlin, Germany. Bristol: IOP Publishing; 2000. p. 465–469 (Institute of Physics conference series; no. 166).
  5. Shakir M, Hou S, Hedayati R, Malm BG, Östling M, Zetterling C-M. Towards silicon carbide VLSI circuits for extreme environment applications. Electronics. 2019;8(5):496. DOI: 10.3390/electronics8050496.
  6. Zimbone M, Sarikov A, Bongiorno C, Marzegalli A, Scuderi V, Calabretta C, et al. Extended defects in 3C-SiC: stacking faults, threading partial dislocations, and inverted domain boundaries. Acta Materialia. 2021;213:116915. DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116915.
  7. Bosi M, Ferrari C, Nilsson D, Ward PJ. 3C-SiC carbonization optimization and void reduction on misoriented Si substrates: from a research reactor to a production scale reactor. CrystEngComm. 2016;18(39):7478–7486. DOI: 10.1039/c6ce01388k.
  8. Zimbone M, Mauceri M, Litrico G, Barbagiovanni EG, Bongiorno C, La Via F. Protrusions reduction in 3C-SiC thin film on Si. Journal of Crystal Growth. 2018;498:248–257. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.06.003.
  9. Cimalla V, Pezoldt J, Ecke G, Eichhorn G. The buffer layer in RTCVD of SiC. In: Nakashima S, Matsunami H, Yoshida S, Harima H, editors. Silicon carbide and related materials – 1995. Proceedings of the 6th International conference on silicon carbide and related materials; 1995 September 18–21; Kyoto, Japan. Bristol: IOP Publishing; 1996. p. 153–156 (Institute of Physics conference series; no. 142).
  10. Steckl AJ, Li JP. Epitaxial growth of beta-SiC on Si by RTCVD with C3H8 and SiH4. IEEE Transactions on Electron Devices. 1992;39:64–74. DOI: 10.1109/16.108213.
  11. Ottaviani L, Lazar M, Locatelli ML, Chante JP, Heera V, Skorupa W, et al. Annealing studies of Al-implanted 6H-SiC in an induction furnace. Materials Science and Engineering: B. 2002;91–92:325–328. DOI: 10.1016/S0921-5107(01)01043-1.
  12. Wang Z, Liu W, Wang C. Recent progress in ohmic contacts to silicon carbide for high-temperature applications. Journal of Electronic Materials. 2016;45:267–284. DOI: 10.1007/s11664-015-4107-8.
  13. Roccaforte F, Brezeanu G, Ganmon PM, Giannazzo F, Rascuna S, Saggio M. Schottky contacts to silicon carbide: physics, technology and applications. In: Zekentes K, Vasilevskiy K, editors. Advancing silicon carbide electronics technology I. Metal contacts to silicon carbide: physics, technology, applications. Chapter 3. Millersville: Materials Research Forum LLC; 2018. p. 127–190. DOI: 10.21741/9781945291852-3.
  14. Skorupa W, Panknin D, Anwand W, Voelskow M, Ferro G, Monteil Y, et al. Flash lamp supported deposition of 3C-SiC (FLASiC) – a promising technique to produce high quality cubic SiC layers. Materials Science Forum. 2004;457–460:175–180. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.457-460.175.
  15. Booker GR. Crystallographic imperfections in silicon. Discussions of the Faraday Society. 1964;38:298–304. DOI: 10.1039/ DF9643800298.
  16. Komarov FF, Solov’yev VS, Tishkov VS, Shiryayev SY. Thermal recrystallization of silicon amorphous layers after argon, oxygen and nitrogen ion implantation. Radiation Effects. 1983;69(3–4):179–189. DOI: 10.1080/00337578308217822.
  17. Aksyanov IG, Kompan ME, Kul’kova IV. [Raman scattering in mosaic silicon carbide films]. Fizika tverdogo tela. 2010;52(9): 1724–1728. Russian.
  18. Sorieul S, Costantini J-M, Gosmain L, Thomé L, Grob J-J. Raman spectroscopy study of heavy-ion-irradiated α-SiC. Journal of Physics: Condensed Matter. 2006;18(22):5235–5251. DOI: 10.1088/0953-8984/18/22/022.
  19. Kazuchits NM, Korolik OV, Rusetsky MS, Kazuchits VN, Kirilkin NS, Skuratov VA. Raman scattering in diamond irradiated with high-energy xenon ions. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2020;472:19–23. DOI: 10.1016/j.nimb.2020.03.034.
  20. Soldatenko SA, Kuzmina VO. Substructure of the epitaxial film of β-SiC synthesized by pyrolysis of methane on (111) Si by the method of PPT [Internet]. In: Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniya i obrabotki materialov. Materialy XIII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii; 12–14 sentyabrya 2018 g.; Minsk, Belarus’ [Modern methods and technologies for the creation and processing of materials. Proceedings of the 13th International scientific and technical conference; 2018 September 12–14; Minsk, Belarus]. Minsk: [s. n.]; 2018 [cited 2022 March 21]. p. 169–175. Russian. Available from: https://rep.bntu.by/handle/data/51257.
Опубликован
2022-06-08
Ключевые слова: эпитаксиальные структуры SiC/Si, вакуумная карбидизация, быстрая термическая обработка, тонкие пленки
Поддерживающие организации Исследование выполнено в рамках проекта Т22-030 Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований, а также частично проекта 3.1.2 государственной программы научных исследований «Фотоника и электроника для инноваций» (№ гос. регистрации 20212702).
Как цитировать
Лобанок, М. В., Прокопьев, С. Л., Моховиков, М. А., Королик, О. В., & Гайдук, П. И. (2022). Формирование эпитаксиальных слоев 3C-SiC на Si методом быстрой вакуумно-термической обработки. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 79-86. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-2-79-86
Раздел
Физика и техника полупроводников