Μελέτη των δομικών ιδιοτήτων 3C-SiC, κατάλληλου για ημιαγωγικές διατάξεις

Abstract

The study reported in this thesis is related to the structural characterization of silicon carbide (SiC) crystals by Transmission Electron Microscopy. Fourier Transform Infrared Reflectivity was also employed as a complementary technique for the optical characterization of the samples and the identification of polytypes in the polycrystalline samples. Thick films were grown by different techniques such as sublimation, physical vapor transport, continuous feed physical vapor transport and the traveling heater method. The epitaxial growth of cubic SiC (3C-SiC) epilayers on free standing 3C-SiC wafers by Hoya was performed by chemical vapor deposition. The aim of this thesis is to define the structural characteristics of the grown films via detailed observation and study in such a way that they can be correlated with the used growth techniques. The information acquired is very useful for the researchers that want to grow crystals with reduced structural defects by changing the experimental parameters during growth with the aim to grow 3C-SiC films of good quality. At first polycrystalline SiC samples grown by sublimation on graphite were studied. According to their relative crystallographic orientation some of the grains grow faster, overlapping others which have slower growth rates. For this reason the number of crystallites reduces during growth and finally very few large grains exhibiting the fastest growth rate survive on the top of the ingot. As the growth temperature increases, the grain diameter on the top surface is also increased while the percentage of 3C-SiC crystallites is reduced. Infrared reflectivity spectra were also used for the identification of polytypes. SiC polytypes were determined from the weak phonon absorption lines in the Reststrahlen band with light propagation perpendicular to the c axis. Thick films of SiC grown by physical vapor transport on different substrates were also studied. In one case when 4H-SiC was used, the overgrown film was also 4H-SiC, while in another case different polytypes such as 4H, 6H and 8H-SiC were formed in the overgrowth. The reflectivity spectra for those two samples revealed that the monocrystalline 4H-SiC has a higher carrier concentration in comparison to the sample with the various polytypes. When 6H-SiC was used as a substrate, the overgrown film was the desired 3C-SiC with a stacking fault density significantly reduced after the first 60 μm from the substrate/film interface while it remained almost constant within the last 100 μm before the surface, having a value of 3.5x103 cm-1. Finally the growth on a 3C-SiC substrate by Hoya resulted in a 3C overgrowth with a high defect density because of the poor quality of the substrate. The thick 3C-SiC films grown on 3C-SiC Hoya substrates by the continuous feed physical vapor transport method had a lot of coherent (111) twins and high stacking fault density which resulted in the change of the 3C polytype to 6H in some areas. On the other hand when a 6H-SiC substrate with the 3C VLS (Vapor-Liquid-Solid) buffer layer was used, no polytype transformation was observed in the 3C overgrowth and twin formation was suppressed. The films grown by the traveling heater method were mainly polycrystalline and in many cases they had Si inclusions which sometimes reached the surface. Moreover when the growth atmosphere was rich in pure nitrogen, Si3N4 crystallites were formed. 3C-SiC epilayers were grown by chemical vapor deposition on 3C-SiC Hoya wafers. In all cases the stacking fault density reduced rapidly within the first 20 μm of the growth and then it remained constant at about 104 cm-1 up to the surface. The grown epilayer matches perfectly with the substrate and no interface could be distinguished between the substrate and the epilayer. In all the samples a 3C-SiC epilayer was deposited onto the backside of the wafers. The good quality of the back epilayer and the very fast reduction of the defects within the first μm reveal the important role of the high temperature deposition (at 1600oC). From the reflectivity spectra for two samples it was possible to compare the carrier concentration between the epilayers and the substrates. The fitting process between the experimental reflectivity and the corresponding theoretical values for one sample revealed that the epilayer has a smaller damping constant and as a result a higher mobility than the substrate. The annihilation of the Inversion Domain Boundaries (IDBs) that was observed in all free standing Hoya wafers was studied by Conventional Transmission Electron Microscopy and by High Resolution Transmission Electron Microscopy. ...

Το θέμα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι ο δομικός χαρακτηρισμός υμενίων ανθρακοπυριτίου (silicon carbide-SiC) με την τεχνική της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διέλευσης. Παράλληλα χρησιμοποιήθηκε ως συμπληρωματική μέθοδος η Φασματοσκοπία Υπερύθρου για τον οπτικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων και την αναγνώριση των πολυτύπων στα πολυκρυσταλλικά δείγματα. Τα παχιά υμένια αναπτύχθηκαν με διάφορες τεχνικές όπως είναι η εξάχνωση, η φυσική μεταφορά ατμών, η φυσική μεταφορά ατμών με συνεχή τροφοδότηση και η μέθοδος μετακινούμενου θερμαντήρα, ενώ για την επιταξιακή ανάπτυξη επιστρωμάτων κυβικού SiC (3C-SiC) πάνω σε αυτοϋποστηριζόμενα δισκία 3C-SiC της εταιρείας Hoya, χρησιμοποιήθηκε η χημική εναπόθεση ατμών. Κύριος στόχος της παρούσας εργασίας, είναι η λεπτομερής παρατήρηση και μελέτη των δομικών χαρακτηριστικών των αναπτυσσόμενων υμενίων, ώστε να φανεί η σχέση που εμφανίζουν οι δομικές ατέλειες με τις χρησιμοποιηθείσες τεχνικές. Οι πληροφορίες αυτές είναι χρήσιμες στους ερευνητές που αναπτύσσουν τους κρυστάλλους δοκιμάζοντας τρόπους μείωσης των ατελειών, με αλλαγή των πειραματικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης με τελικό στόχο να επιτύχουν την ανάπτυξη 3C-SiC απαλλαγμένου από εκτεταμένες δομικές ατέλειες. Αρχικά μελετήθηκαν πολυκρυσταλλικά δείγματα SiC, τα οποία αναπτύχθηκαν με εξάχνωση απευθείας πάνω σε γραφίτη. Ανάλογα με το σχετικό κρυσταλλογραφικό τους προσανατολισμό, μερικοί κρυσταλλίτες αναπτυσσόταν γρηγορότερα, επικαλύπτοντας αυτούς που έχουν μικρότερο ρυθμό ανάπτυξης με αποτέλεσμα μόνο μερικοί μεγάλοι κρυσταλλίτες να εμφανίζονται στην επιφάνεια. Μάλιστα όσο αυξανόταν η θερμοκρασία ανάπτυξης, αυξανόταν επίσης η μέση διάμετρος των κρυσταλλιτών που φθάνουν στην επιφάνεια και μειωνόταν το ποσοστό των κρυσταλλιτών 3C-SiC. Η ταυτοποίηση των διαφόρων πολυτύπων πραγματοποιήθηκε επιπλέον χρησιμοποιώντας φάσματα ανακλαστικότητας στο υπέρυθρο. Τα πολύτυπα SiC καθορίστηκαν από τις γραμμές απορρόφησης των ασθενών φωνονίων στη ζώνη Reststrahlen για διάδοση του φωτός κάθετη στον άξονα c. Στη συνέχεια εξετάστηκαν παχιά υμένια SiC που αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της φυσικής μεταφοράς ατμών, πάνω σε διαφορετικά υπόβαθρα. Η χρήση υποβάθρου 4H-SiC, οδήγησε στην επιταξιακή ανάπτυξη ενός υμενίου 4H-SiC στη μία περίπτωση, ενώ σε μια άλλη περίπτωση σχηματίστηκε ένα υμένιο με διάφορα πολύτυπα όπως 4H, 6H και 8H-SiC. Τα φάσματα ανακλαστικότητας στο υπέρυθρο που λήφθηκαν για τα παραπάνω δείγματα, έδειξαν ότι το μονοκρυσταλλικό υμένιο 4H-SiC παρουσιάζει μεγαλύτερη συγκέντρωση φορέων σε σχέση με το υμένιο που περιέχει τα διάφορα πολύτυπα. Όταν χρησιμοποιήθηκε ως υπόβαθρο 6H-SiC, το αναπτυσσόμενο υμένιο ήταν το επιθυμητό 3C-SiC του οποίου οι κυριότερες δομικές ατέλειες ήταν σφάλματα επιστοίβασης με πυκνότητα που μειώθηκε σημαντικά μετά τα πρώτα 60 μm από τη διεπιφάνεια υποβάθρου/υμενίου, αλλά κατόπιν παρέμεινε σταθερή στα τελευταία 100 μm πριν την επιφάνεια έχοντας τιμή 3.5x103 cm-1. Τέλος η ανάπτυξη πάνω σε υπόβαθρο 3C-SiC της Hoya, είχε ως αποτέλεσμα να σχηματιστεί ένα υμένιο 3C με μεγάλη πυκνότητα δομικών σφαλμάτων, γεγονός που οφείλεται στην κακή ποιότητα του υποβάθρου από το οποίο ξεκίνησαν να διαδίδονται οι ατέλειες μέσα στο αναπτυσσόμενο υμένιο. Τα παχιά υμένια 3C-SiC που αναπτύχθηκαν πάνω σε υπόβαθρο 3C-SiC της Hoya με τη μέθοδο της Φυσικής Μεταφοράς Ατμών με Συνεχή Τροφοδότηση, εμφάνισαν συναφείς διδυμίες (111) και μεγάλη πυκνότητα σφαλμάτων επιστοίβασης που σε ορισμένες περιοχές είχε ως αποτέλεσμα τη μετατροπή του πολυτύπου 3C σε 6H-SiC. Όταν όμως χρησιμοποιήθηκε ως υπόβαθρο 6H-SiC πάνω στο οποίο αναπτύχθηκε ένα αρχικό στρώμα 3C-SiC με τη μέθοδο Ατμού-Υγρού-Στερεού (Vapor-Liquid-Solid - VLS), δεν παρατηρήθηκε μετατροπή πολυτύπων στο αναπτυσσόμενο 3C υμένιο και το σημαντικότερο είναι ότι εντοπίστηκαν πολύ λιγότερες διδυμίες. Τα υμένια που αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο του μετακινούμενου θερμαντήρα είναι κυρίως πολυκρυσταλλικά και περιέχουν σε πολλές περιπτώσεις εγκλείσματα πυριτίου τα οποία ορισμένες φορές φθάνουν μέχρι την επιφάνεια. Επίσης σε δείγματα κατά την ανάπτυξη των οποίων η ατμόσφαιρα ήταν πλούσια σε καθαρό άζωτο, παρατηρήθηκαν κρυσταλλίτες Si3N4. Στη συνέχεια μελετήθηκαν επιστρώματα 3C-SiC τα οποία αναπτύχθηκαν με χημική εναπόθεση ατμών πάνω σε δισκία 3C-SiC της Hoya. Σε όλες τις περιπτώσεις παρατηρήθηκε ραγδαία μείωση της πυκνότητας ατελειών στα πρώτα 20 μm, ενώ κατόπιν παραμένει σταθερή μέχρι την μπροστινή ελεύθερη επιφάνεια με τιμή της τάξεως των 104 cm-1. ...