1 परिचय
दशकों के शोध के बावजूद, सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर उगाए गए हेटरोएपिटैक्सियल 3C-SiC ने औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त क्रिस्टल गुणवत्ता प्राप्त नहीं की है। वृद्धि आमतौर पर Si(100) या Si(111) सबस्ट्रेट्स पर की जाती है, जिनमें से प्रत्येक की अपनी अलग चुनौतियाँ हैं: (100) के लिए एंटी-फेज़ डोमेन और (111) के लिए क्रैकिंग। जबकि [111]-उन्मुख फिल्मों में दोष घनत्व में कमी, बेहतर सतह आकृति विज्ञान और कम तनाव जैसी आशाजनक विशेषताएँ दिखाई देती हैं, (110) और (211) जैसे वैकल्पिक अभिविन्यासों का अभी तक पर्याप्त अध्ययन नहीं हुआ है। मौजूदा डेटा से पता चलता है कि इष्टतम वृद्धि की स्थितियाँ अभिविन्यास-विशिष्ट हो सकती हैं, जिससे व्यवस्थित जांच जटिल हो जाती है। विशेष रूप से, 3C-SiC हेटरोएपिटैक्सी के लिए उच्च-मिलर-इंडेक्स Si सबस्ट्रेट्स (जैसे, (311), (510)) के उपयोग की रिपोर्ट कभी नहीं की गई है, जिससे अभिविन्यास-निर्भर वृद्धि तंत्रों पर खोजपूर्ण शोध के लिए महत्वपूर्ण गुंजाइश बनी हुई है।
2. प्रायोगिक
3C-SiC परतों को SiH4/C3H8/H2 प्रीकर्सर गैसों का उपयोग करके वायुमंडलीय दाब रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) विधि द्वारा निक्षेपित किया गया था। सबस्ट्रेट 1 cm² Si वेफर्स थे जिनमें विभिन्न अभिविन्यास थे: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553), और (995)। (100) को छोड़कर सभी सबस्ट्रेट अक्षीय थे, जहाँ 2° ऑफ-कट वेफर्स का अतिरिक्त परीक्षण किया गया था। प्री-ग्रोथ सफाई में मेथनॉल में अल्ट्रासोनिक डीग्रीसिंग शामिल थी। विकास प्रोटोकॉल में 1000°C पर H2 एनिलिंग के माध्यम से मूल ऑक्साइड को हटाना शामिल था, जिसके बाद एक मानक दो-चरणीय प्रक्रिया अपनाई गई: 12 sccm C3H8 के साथ 1165°C पर 10 मिनट के लिए कार्बराइजेशन, फिर 1.5 sccm SiH4 और 2 sccm C3H8 का उपयोग करके 1350°C पर 60 मिनट के लिए एपिटैक्सी (C/Si अनुपात = 4)। प्रत्येक विकास प्रक्रिया में कम से कम एक (100) संदर्भ वेफर के साथ चार से पांच अलग-अलग Si अभिविन्यास शामिल थे।
3) परिणाम और चर्चा
विभिन्न Si सबस्ट्रेट्स पर उगाए गए 3C-SiC परतों की आकृति विज्ञान (चित्र 1) में विशिष्ट सतह विशेषताएं और खुरदरापन दिखाई दिया। देखने में, Si(100), (211), (311), (553) और (995) पर उगाए गए नमूने दर्पण जैसे दिखाई दिए, जबकि अन्य नमूने दूधिया ((331), (510)) से लेकर धुंधले ((110), (111)) तक थे। सबसे चिकनी सतहें (जो सबसे सूक्ष्म संरचना दर्शाती हैं) (100)2° ऑफ और (995) सबस्ट्रेट्स पर प्राप्त हुईं। उल्लेखनीय रूप से, सभी परतें ठंडा होने के बाद दरार-मुक्त रहीं, जिनमें आमतौर पर तनाव-प्रवण 3C-SiC(111) भी शामिल है। नमूने के सीमित आकार ने दरारों को रोका होगा, हालांकि कुछ नमूनों में झुकाव (केंद्र से किनारे तक 30-60 μm विक्षेपण) दिखाई दिया, जिसे संचित तापीय तनाव के कारण 1000× आवर्धन पर ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के तहत देखा जा सकता है। Si(111), (211), और (553) सब्सट्रेट पर उगाई गई अत्यधिक झुकी हुई परतों ने अवतल आकार प्रदर्शित किए जो तन्यता तनाव को दर्शाते हैं, जिसके लिए क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास के साथ सहसंबंध स्थापित करने के लिए आगे प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक कार्य की आवश्यकता होती है।
चित्र 1 में विभिन्न अभिविन्यासों वाले Si सब्सट्रेट पर उगाए गए 3C-SC परतों के XRD और AFM (20×20 μm2 पर स्कैनिंग) परिणामों का सारांश प्रस्तुत किया गया है।
एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM) छवियों (चित्र 2) ने ऑप्टिकल प्रेक्षणों की पुष्टि की। रूट-मीन-स्क्वायर (RMS) मानों ने (100)2° ऑफ और (995) सबस्ट्रेट्स पर सबसे चिकनी सतहों की पुष्टि की, जिनमें 400-800 nm पार्श्व आयामों वाली दानेदार संरचनाएं थीं। (110)-विकसित परत सबसे खुरदरी थी, जबकि अन्य अभिविन्यासों ((331), (510)) में कभी-कभी तेज सीमाओं के साथ लम्बी और/या समानांतर विशेषताएं दिखाई दीं। एक्स-रे विवर्तन (XRD) θ-2θ स्कैन (तालिका 1 में सारांशित) ने कम मिलर-सूचकांक वाले सबस्ट्रेट्स के लिए सफल हेट्रोएपिटैक्सी का खुलासा किया, सिवाय Si(110) के जिसमें मिश्रित 3C-SiC(111) और (110) शिखर दिखाई दिए जो पॉलीक्रिस्टैलिटी का संकेत देते हैं। इस अभिविन्यास मिश्रण की रिपोर्ट पहले Si(110) के लिए की गई थी, हालांकि कुछ अध्ययनों में विशिष्ट (111)-उन्मुख 3C-SiC देखा गया, जो दर्शाता है कि वृद्धि की स्थिति का अनुकूलन महत्वपूर्ण है। मिलर सूचकांक ≥5 ((510), (553), (995)) के लिए, मानक θ-2θ विन्यास में कोई XRD शिखर नहीं पाया गया क्योंकि ये उच्च-सूचकांक तल इस ज्यामिति में विवर्तन नहीं करते हैं। निम्न-सूचकांक 3C-SiC शिखरों (जैसे, (111), (200)) की अनुपस्थिति एकल-क्रिस्टलीय वृद्धि का संकेत देती है, जिसके लिए निम्न-सूचकांक तलों से विवर्तन का पता लगाने के लिए नमूने को झुकाना आवश्यक है।
चित्र 2 में सीएफसी क्रिस्टल संरचना के भीतर समतल कोण की गणना दर्शाई गई है।
उच्च-सूचकांक और निम्न-सूचकांक तलों के बीच परिकलित क्रिस्टलीय कोणों (तालिका 2) ने बड़े विचलन (>10°) दर्शाए, जो मानक θ-2θ स्कैन में उनकी अनुपस्थिति को स्पष्ट करते हैं। अतः, (995)-उन्मुख नमूने पर ध्रुव आकृति विश्लेषण किया गया, क्योंकि इसकी असामान्य दानेदार आकृति (संभवतः स्तंभनुमा वृद्धि या ट्विनिंग से) और कम खुरदरापन था। Si सबस्ट्रेट और 3C-SiC परत से प्राप्त (111) ध्रुव आकृतियाँ (चित्र 3) लगभग समान थीं, जो ट्विनिंग के बिना उप-अधिक्रमिक वृद्धि की पुष्टि करती हैं। केंद्रीय बिंदु χ≈15° पर दिखाई दिया, जो सैद्धांतिक (111)-(995) कोण से मेल खाता है। तीन समरूपता-समतुल्य बिंदु अपेक्षित स्थानों (χ=56.2°/φ=269.4°, χ=79°/φ=146.7° और 33.6°) पर दिखाई दिए, हालांकि χ=62°/φ=93.3° पर एक अप्रत्याशित कमजोर बिंदु की आगे जांच की आवश्यकता है। φ-स्कैन में बिंदु की चौड़ाई के माध्यम से मूल्यांकित क्रिस्टलीय गुणवत्ता आशाजनक प्रतीत होती है, हालांकि मात्रा निर्धारण के लिए रॉकिंग कर्व माप की आवश्यकता है। (510) और (553) नमूनों के लिए ध्रुव आकृतियों को पूरा किया जाना बाकी है ताकि उनकी अनुमानित एपिटैक्सियल प्रकृति की पुष्टि की जा सके।
चित्र 3 (995) उन्मुख नमूने पर रिकॉर्ड किए गए एक्सआरडी शिखर आरेख को दर्शाता है, जो Si सब्सट्रेट (a) और 3C-SiC परत (b) के (111) तलों को प्रदर्शित करता है।
4. निष्कर्ष
(110) को छोड़कर अधिकांश Si अभिविन्यासों पर हेटरोएपिटैक्सियल 3C-SiC वृद्धि सफल रही, जिससे पॉलीक्रिस्टलाइन पदार्थ प्राप्त हुआ। Si(100)2° ऑफ और (995) सबस्ट्रेट्स ने सबसे चिकनी परतें (RMS <1 nm) उत्पन्न कीं, जबकि (111), (211) और (553) में काफी झुकाव (30-60 μm) देखा गया। उच्च-सूचकांक सबस्ट्रेट्स में θ-2θ पीक अनुपस्थित होने के कारण एपिटैक्सी की पुष्टि के लिए उन्नत XRD लक्षण वर्णन (जैसे, पोल आंकड़े) की आवश्यकता होती है। चल रहे कार्य में रॉकिंग कर्व माप, रमन तनाव विश्लेषण और इस प्रारंभिक अध्ययन को पूरा करने के लिए अतिरिक्त उच्च-सूचकांक अभिविन्यासों तक विस्तार शामिल है।
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पोस्ट करने का समय: 8 अगस्त 2025