Получение и характеризация массивов Si микровискеров, декорированных SiC на верхушке Текст научной статьи по специальности «Физика»

Ш A sE 22-24 0КТЯбРЯ 2024 г-

Получение и характеризация массивов Si микровискеров, декорированных SiC на верхушке

Волчков И.С.

Отделение Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ «Курчатовский институт»

Е-mail: [email protected]

DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-93-95

Карбид кремния (SiC) обладает рядом уникальных механических и электрических свойств, определяющих интерес к нему как к функциональному материалу для электронных устройств высоковольтных и высокотемпературных приложений, датчиков в современных технологических устройствах.

Известно, что существует большое количество политипов SiC: кубический 3C-SiC [1] и гексагональные 4H-SiC [2] и 6H-SiC [3]. Кубический аллотроп SiC (3C-SiC) имеет важные преимущества по сравнению с гексагональным SiC. Прежде всего, его можно применять в МОП-транзисторах, работающих в диапазоне низких напряжений 600-1200 В, с более высокой подвижностью электронов и низким сопротивлением [4]. Более того, его кристаллографическая совместимость с кремнием (Si) позволяет выращивать гетероэпитаксиальные пленки и структуры 3C-SiC на подложках Si. Однако процесс выращивания 3C-SiC имеет серьезные недостатки. Прежде всего, несоответствие решеток 3C-SiC и Si (~20 %) создает напряжение на гетерогранице, которое высвобождается за счет образования кристаллографических дефектов.

В связи с этим, целью настоящей работы была модификация методики получения микро- и наноструктур на основе Si, декорированного тонким слоем 3C-SiC, с целью упрощения и удешевления метода получения эпитаксиальных структур 3C-SiC на Si.

В работе были использованы 2 типа подложек Si с выращенными массивами вискеров Si по методу пар-жидкость-кристалл [5]. Использовались подложки с классическим регулярным массивом Si вискеров (рис. 1а), а также подложка, с массивом вискеров Si, в которой часть поступающего пара Si уходила на пленочный рост по механизму пар-кристалл, в результате чего

ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

, «ПРОХОРОВСКИЕНЕДЕЛИ-

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ

образовалась регулярная «треугольная» структура подложки с массивами вискеров (рис. 1б).

< < < ^ <

< ч <Л <

<4. Ч < <1. Ч

Ч <. * ¿С

Рис. 1. РЭМ-изображения массивов Si вискеров, с декорированием SiC на верхушке: образец с классической регулярной структурой (а), образец с «треугольной» структурой (б).

Далее на образцы наносился тонкий углеродный слой, после чего образцы отжигались при температуре 1200 °С в течение 2 часов, в атмосфере низкого вакуума. Полученные образцы исследовались методом растровой электронной микроскопии на JCM-6000 Plus (Jeol) c энергодисперсионной (ЭДС) приставкой в режиме вторичных электронов при ускоряющем напряжении 15 кВ. ЭДС -анализ также проводился на JCM-6000 Plus. Фазовый состав образцов исследовался методом рентгенофазового анализа (РФА) на порошковом рентгеновском дифрактометре X'Pert Pro MPD (Panalytical) в диапазоне углов 29: 30-80° в геометрии по Брэггу-Брентано с использованием Ka-линии меди (X =0,154 нм). Спектры комбинационного рассеяния были записаны с использованием системы NTEGRA SPECTRA (Нова СПБ) с использованием длины волны лазера 532 нм.

Результаты РФА показали присутствие в образцах как фаз SiC, так и непрореагировавшего свободного фуллереноподобного углерода (рис. 2). В случае образца с «треугольной» регулярной структурой также обнаруживаются пики SiO2.

На спектрах комбинационного рассеяния образцов присутствуют пики при 522 см-1, соответствующие Si, а также пики при 792 см-1 и 964 см-1, соответствующие пикам рамановского колебания SiC. Также присутствует ряд характерных пиков около 1364 см-1 и 1600 см-1, соответствующих моде колебаний A1g микрокристаллов графита и валентному колебанию E2g в плоскости решетки графита, соответственно.

ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

, «ПРОХОРОВСКИЕНЕДЕЛИ-

22-24 октября 2024 г.

Таким образом, были получены образцы массивов вискеров Si, декорированных SiC с классической регулярной и «треугольной» структурами. ЭДС анализ показал скопление углерода именно на верхушках вискеров Si. Результаты РФА и спектроскопии комбинационного рассеяния позволяют говорить об образовании именно декорирующего слоя SiC, а также значительном присутствии фуллеренопободного свободного углерода. В результате мы можем говорить о возможности получения массивов Si вискеров, декорированных слоем SiC, однако необходима дальнейшая работа по получению эпитаксиальных покрытий на поверхности вискеров, что позволит использовать данные структуры в устройствах полевой эмиссии.

IL_I

.«H ■ 3C-SÎC • SiO,

Обра jeu с классической регулярной структурой

Lu.

Обрамцс

«1рГуЮ.1Ы10Й» С1 р>1ч'|)|>Ой

Рис. 2. Рентгенограммы исследуемых образцов массивов вискеров Si, декорированных SiC.

Работа выполнена в рамках государственного задания НИЦ «Курчатовский институт».

Автор выражает благодарность, д.ф.-м.н. Каневскому В.М. и к.ф.-м.н. Буташину А.В. за постановку научной задачи, а также Гиваргизову М.Е. за предоставленные подложки Si с массивами вискеров и Дерябину А.Н. за проведение температурной обработки образцов, после нанесения слоя углерода.

1. Agati M., Boninelli S., Calabretta C., et al., Mater. Des., 2021, 208, 109833.

2. Wang K., Wang H., Chen C., et al., ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023, 15(19), 23457-23469.

3. Kishida K., Shinkai Y., Inui H. Acta Mater. 2020, 187, 19-28.

4. Nagasawa H., Abe M., Yagi K., et al., Phys. Status Solidi (b), 2008, 245(7), 1272-1280.

5. Гиваргизов Е.И. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара. М.: Наука, 1977, 303 с.