Μελέτη των δομικών ιδιοτήτων 3C-SiC, κατάλληλου για ημιαγωγικές διατάξεις
Περίληψη
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 ...
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. ...Περίληψη σε άλλη γλώσσα
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 experimenta ...
περισσότερα
![]() | |
![]() | Κατεβάστε τη διατριβή σε μορφή PDF (19.9 MB)
(Η υπηρεσία είναι διαθέσιμη μετά από δωρεάν εγγραφή)
|
Όλα τα τεκμήρια στο ΕΑΔΔ προστατεύονται από πνευματικά δικαιώματα.
|