Si图形化衬底研究及其在3C-SiC生长上的应用

摘要

3C-SiC具有宽禁带、高电子饱和迁移速率和高热导率等优良特性，是制备高温、高压、大功率器件的良好一半导体材料。目前主要使用CVD法在Si单晶上异质外延3C-SiC薄膜，但所制得的薄膜中存在大量因两者品格失配和热膨胀系数差异而产生缺陷，限制了其在电子器件领域的应用。图形化衬底是近年来研究较多的一种衬底表面预处理技术，可有效减少Si衬底异质外延的3C-SiC薄膜中的缺陷，提高薄膜可使用性。这一技术起初多用于研究蓝宝石衬底上GaN薄膜外延，有效地减少了GaN外延材料的位错密度，提高了GaN基发光器件工作性能。受此方法影响，图形化衬底技术也运步应用于Si衬底立3C-SiC薄膜的生长。 本文采用湿法刻蚀或干法刻蚀工艺制备了几种不同的Si图形衬底，使用LPCVD法在图形衬底衬底上生长3C-SiC，通过光学显微镜、SEM、XRD对生长的薄膜进行表征和分析。主要研究工作及成果如下: 首先介绍了衬底图形的设计和图形衬底的具体制备工艺。论文探究性设计三种衬底图形，包括正方形、条形和六边形。分别使用湿法、干法刻蚀工艺制备不同的Si图形化衬底。 其次研究了3C-SiC生长工艺对SiO2图形衬底的影响，选择氧化层厚度为300nm和500nm，实验参数为1200℃下的真空气氛、H2气氛、H2和C2H2混合气氛以及1000℃ 下的真空气氛、H2气氛，并对比分析了SiO2掩膜图形层变化的原因。 结果表明:1200℃下由于SiO2与Si衬底反应容易引起SiO2掩膜图形层退化，较薄(300nm)的氧化层退化严重，不能用作掩膜图形层，500nm厚度的氧化层完整度良好;1000℃下，两种不同的SiO2图形衬底都能保持良好的完整度。 然后对干法刻蚀图形衬底上生长的3C-SiC薄膜进行研究。图形尺寸为8μm的衬底上，多晶薄膜表团形貌与图形结构相似，受生长工艺的影响，衬底表面的图形被刻蚀成“波浪形”，较小尺寸(3μm)的衬底图形被完全刻蚀，“波浪形”图形顶部的薄膜呈椭球状生长，薄膜厚度高于图形底部区域，图形间薄膜有相互连接的趋势。 最后对湿法刻蚀图形衬底上3C-SiC薄膜生长行为进行研究。结果表明较大尺寸（＞10μm）衬底图形受生长工艺影响小，但需要生长足够厚度的薄膜，才能使图形区域上生长的薄膜相互结合。SiO2（500nm）图形衬底受生长温度影响，掩膜图形层表面完整，但一部分与衬底分离，需要进一步优化薄膜生长工艺，才能抑制氧化层与衬底间的反应，从而获得选择性生长3C-SiC薄膜。另外还对Al掩膜的图形化衬底上生长3C-SiC薄膜进行了研究，结果表明：Al掩膜图形层具有良好稳定性，可以抑制气相分子在其表面成核，使多晶薄膜仅生长Si衬底窗口区域，并观察到了3C-SiC薄膜的侧向生长。

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