Температурная зависимость роста 3C-SiC при быстрой вакуумно-термической обработке кремния

Представлены результаты исследования структуры, фазового состава и кинетики роста эпитаксиальных слоев карбида кремния на кремниевых подложках при их быстрой вакуумно-термической обработке. Методами просвечивающей электронной микроскопии установлено формирование слоев кубического политипа SiC (3C-SiC) на кремнии при карбидизации в диапазоне температур 1000–1300 °С. Обнаружено, что формирование слоев SiC проходит в два этапа, характеризующихся различными энергиями активации. В более низкотемпературном диапазоне (1000–1150 °С) энергия активации процесса роста SiC составляет E_a = 0,67 эВ, тогда как в диапазоне 1150–1300 °С она увеличивается практически на порядок (E_a = 6,3 эВ), что указывает на смену лимитирующего физического процесса. Установлено, что тип проводимости и ориентация подложки оказывают влияние на толщину формированных слоев SiC. При этом наибольшая толщина слоев карбида кремния достигается на кремниевых подложках с ориентацией (111) p-типа проводимости.

1. Ferro G. (2015) 3C-SiC Heteroepitaxial Growth on Silicon: the Quest for Holy Grail. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. (76), 40–56. DOI: 10.1080/10408436.2014.940440.

2. Skibarko I. A., Milchanin O. V., Gaiduk P. I. et al. (1999) Structural and Optical Properties of GaN/SiC/Si Heterostructures Grown by MBE. Inst.Phys.Conf.Ser. 166, 465–469.

3. Fu Y., Ma Z., Ren H. (2022) A Low-Cost Compact SiC/Si Hybrid Switch Gate Driver Circuit for Commonly Used Triggering Patterns. IEEE Transactions on Power Electronics. 37 (5), 5212–5223.

4. Deshpande A., Paul R., Emon A. I., Yuan Z., Peng H., Luo F. (2022) Si-IGBT and SiC-MOSFET Hybrid Switch-Based 1.7 kV Half-Bridge Power Module. Power Electronic Devices and Components. 3. DOI: 10.1016/j.pedc.2022.100020.

5. Zimbone M., Mauceri M., Litrico G., Barbagiovanni E. G., Bongiorno C., La Via F. (2018) Protrusions Reduction in 3C-SiC thin Film on Si. Journal of Crystal Growth. (498), 248–257. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.06.003.

6. Kuzmina V. O., Sinelnikov A. A., Soldatenko S. A., Sumets M. (2018) Activation Energy of Subgrain Growth Process and Morphology Evolution in β-SiC/Si (111) Heterostructures Synthesized by Pulse Photon Treatment Method in a Methane Atmosphere. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 29 (23), 20097– 20103. DOI: 10.1007/s10854-018-0141-7.

7. Kukushkin S. A., Osipov A. V., Feoktistov N. A. (2014) ChemInform Abstract: Synthesis of Epitaxial Silicon Carbide Films Through the Substitution of Atoms in the Silicon Crystal Lattice: a Review. Phys. Solid State. (56), 1507–1535. DOI: 10.1134/S1063783414080137.

8. Jinschek J. R., Kaiser U., Richter W. (2001) Different Void Shapes in Si at the SiC Thin Film / Si (111) Substrate Interface. Journal of Electron Microscopy. 50 (1), 3–8. DOI: 10.1093/jmicro/50.1.3.

9. Booker G. R. (1964) Crystallographic Imperfections in Silicon. Disc. Farad. Soc. (38), 298–304.

10. RaoJuluri R., Gaiduk P. I., Hansen J. L., Larsen A. N., Julsgaard B. (2018) Impact of a SiGe Interfacial Layer on the Growth of a SiC Layer on Si with Voids at the Interface. Thin Solid Films. 662, 103–109. DOI: 10.1016/j.tsf.2018.07.036.

11. Hashim A. M., Yasui K. (2008) Carbonization Layer Obtained by Acetylene Reaction with Silicon (100) and (111) Surface Using Low Pressure Chemical Vapor Deposition. Journal of Applied Sciences. (8), 3473– 3478.

12. Steckl A., Li J. P. (1992) Effect of Carbonization Gas Precursor on the Heteroepitaxial Growth of SiC-on-Si by RTCVD. Materials Research Society Proc. (242), 537. DOI: 10.1557/PROC-242-537.

13. Backstedte M., Mattausch A., Pankratov O. (2003) Ab Initio Study of the Migration of Intrinsic Defects in 3C-SiC. Physical Review B. 68, 20. DOI: 10.1103/PhysRevB.68.205201.

14. Van Dijen F. K., Metselaar R. (1991) The Chemistry of the Carbothermal Synthesis of b-SiC: Reaction Mechanism, Reaction Rate and Grain Growth. Journal of the European Ceramic Society. 7 (3), 177–184.

15. Bessolov V. N., Grashchenko A. S., Konenkova E. V., Myasoedov A. V., Osipov A. V., Redkov A. V., Rodin S. N., Rubets V. P., Kukushkin S. A. (2015) The Effect of n- and p-type Conductivity of the Si (100) Substrate with a SiC Buffer Layer on the Growth Mechanism and Structure of Epitaxial Layers of Semipolar AlN and GaN. Physics of the Solid State. 59 (10), 1916–1921.

16. Severino А., D’Arrigo G., Bongiorno C., Scalese S., La Via F., Foti G. (2007) Thin Crystalline 3C-SiC Layer Growth Through Carbonization of Differently Oriented Si Substrates. Journal of Applied Physics. 102, 023518. DOI: 10.1063/1.2756620.

17. La Via F., Zimbone M., Bongiorno C., La Magna A., Fisicaro G., Deretzis I., Scuderi V., Calabretta C., Giannazzo F., Zielinski M., Anzalone R., Mauceri M., Crippa D., Scalise E., Marzegalli A., Sarikov A., Miglio L., Jokubavicius V., Syväjärvi M., Yakimova R., Schuh P., SchÖler M., Kollmuss M., Wellmann P. (2021) New Approaches and Understandings in the Growth of Cubic Silicon Carbide. Materials. 14, 5348. DOI: 10.3390/ma14185348.