Optika a pasivačné vlastnosti vrstiev karbidu kremíka (SiC)

Karbid kremíka (SiC) sa rýchlo presadil ako ideálny materiál pre aplikácie v oblasti monoliticky integrovanej fotoniky vďaka kombinácii vysokého indexu lomu, širokej energetickej medzery, nízkeho koeficientu tepelnej rozťažnosti a vynikajúcej tuhosti. SiC je tiež vynikajúcou voľbou materiálu na výrobu zrkadiel v astronomických ďalekohľadoch.

Výsledky elipsometrických meraní ukazujú, že priepustnosť a index lomu vrstiev SiC sa zvyšujú s rastúcou teplotou nanášania v dôsledku zmien v hrúbke vrstvy drsnosti.

Index lomu

Karbid kremíka je z viacerých dôvodov mimoriadne užitočný materiál. Vďaka tvrdosti 9 podľa Mohsovej stupnice sa vyznačuje neuveriteľnou odolnosťou, vďaka čomu je ideálny na výrobu brúsnych kotúčov. Okrem toho je vďaka svojim výnimočným lomovým vlastnostiam a odolnosti voči chemickým reakciám vhodný na použitie v prostrediach s chemickou agresivitou, zatiaľ čo jeho tepelná vodivosť mu umožňuje fungovať pri vysokých teplotách bez straty účinnosti.

Vďaka svojej vynikajúcej priehľadnosti v terahertzovej (THz) oblasti v kombinácii s nízkou optickou šírkou zakázaného pásma a vysokým indexom lomu je erbium atraktívnym substrátovým materiálom pre telekomunikačné systémy. Jeho vlastnosti sú porovnateľné s nitridom kremíka a zafírom; jeho miera absorpcie energie pri THz frekvenciách však prevyšuje oba materiály; navyše aj účinnosť prenosu prevyšuje väčšinu materiálov.

Kryštalické štruktúry karbidu kremíka sa vyskytujú v rôznych formách, známych ako polytypy. Každý polytyp sa skladá z viacerých vrstiev usporiadaných v tesnom balení v jednom smere; každá vrstva sa skladá z atómov uhlíka a kremíka, ktoré sú viazané na štyri atómy opačného typu v tetraedrickej väzbovej konfigurácii, čo umožňuje tesné usporiadanie. V závislosti od poradia stohovania môžu kryštálové štruktúry nadobúdať rôzne tvary, ako napríklad kubický, hexagonálny alebo romboedrický.

V dôsledku toho sa hodnoty indexu 2H SiC menia v závislosti od hrúbky a tvaru vrstvy, čo vedie k výrazným odchýlkam v hodnotách indexu lomu a extinkčného koeficientu. V oxidačných prostrediach, kde sa karbid kremíka vytvára, sa na jeho povrchu vytvára oxidová vrstva, čo je potrebné zohľadniť pri meraní optických parametrov.

Technika XRR sa dá využiť na získanie profilov elektrónovej hustoty povrchov týchto vrstiev, pričom sa vytvoria profily elektrónovej hustoty (EDP), ktoré verne odrážajú drsnosť povrchu a rozhrania vypočítanú z údajov SE.

Karbid kremíka je možné dopovať nečistotami, čím sa zmenia jeho elektrické vlastnosti. Čistý SiC funguje ako elektrický izolátor; pridaním určitých nečistôt, ako sú hliník, gálium alebo bór, sa mení na polovodič a následne z neho možno vyrábať zariadenia pre širokú škálu použití.

Koeficient extinkcie

Karbid kremíka (SiC) je elektrický polovodičový materiál s širokou šírkou zakázaného pásma a nízkym termooptickým koeficientom, vďaka čomu je vhodným kandidátom pre monoliticky integrovanú fotoniku. Okrem toho je SiC vďaka svojej vysokej odolnosti voči žiareniu a Youngovmu modulu vhodný aj na použitie v MEMS tlakových senzoroch. Vzhľadom na ich zložitú chemickú štruktúru a zloženie je však výroba a charakterizácia vrstiev a-Si1-xCx náročná. Cieľom tejto štúdie je preskúmať optické aj pasivačné vlastnosti vrstiev SiC:H pripravených pomocou technológie reaktívneho magnetrónového naparovania pre použitie v solárnych článkoch z kryštalického kremíka (c-Si). Tieto vrstvy boli nanesené na sklené substráty a testované pomocou röntgenovej reflektometrie a UV-viditeľnej spektroskopie, čo viedlo k meraniam s vysokou priepustnosťou v spektre od viditeľného žiarenia až po blízke infračervené žiarenie s extinkčným koeficientom nižším ako 0,009 pri 630 nm; hrúbka, hustota a drsnosť zostali pri zvýšených teplotách konštantné.

SiC vrstvy nanesené metódou DIBSD vykazujú amorfné vlastnosti, ktoré bránia tvorbe hustých vrstiev, čím obmedzujú kolísanie ich optických vlastností a znižujú ich variabilitu s rastúcou hrúbkou (pozri obr. 9, kde je znázornený trend rastu SE a XRR s rastúcou hrúbkou), čo sa prejavuje v zmenách ich optických vlastností pri zmene pomeru C:Si (obr. 9(b) a 9(c)).

SiC vykazuje koeficient extinkcie aj energetické straty v dôsledku dlhého času rozptylu elektrónov a širokej elektronickej šírky zakázaného pásma, čo vedie k nižším optickým stratám v porovnaní s jeho kryštalickými ekvivalentmi. Bohužiaľ, jeho amorfná povaha bráni jeho použitiu v aplikáciách MEMS alebo v oblasti laditeľnej optiky.

A-SiC sa vyskytuje v dvoch polymorfných formách: alfa a beta. Každá forma má svoje špecifické kryštálové štruktúry a body topenia: alfa má hexagonálnu kryštálovú štruktúru podobnú wurtzitu, zatiaľ čo beta formy majú štruktúru zinkovej blendy podobnú diamantu. Obe formy sa široko využívajú v polovodičových elektronických zariadeniach, pričom väčšina komerčne dostupného karbidu kremíka je v alfa forme; okrem toho je hlavnou zložkou šperkov z moissanitu, vyrobených zo syntetických rubínov.

Optické vlastnosti

Karbid kremíka je atraktívny polovodič so širokou energetickou medzerou a vynikajúcimi optickými vlastnosťami. Konkrétne vďaka vysokému indexu lomu, nízkej extinkčnej konštante a malému koeficientu tepelnej rozťažnosti je vhodný pre fotonické aplikácie. Okrem toho je jeho výroba jednoduchá a vďaka svojim elektrickým vlastnostiam je tento materiál v porovnaní s tradičnými materiálmi veľmi atraktívny. Vďaka nízkym nákladom a širokému spektru uplatnení v porovnaní s konvenčnými materiálmi sa karbid kremíka javí ako atraktívna voľba alternatívneho materiálu.

Optické vlastnosti karbidu kremíka je možné hodnotiť pomocou techník rozptylu röntgenového žiarenia a Ramanovej spektroskopie, ktoré poskytujú neinvazívne spôsoby skúmania jeho štruktúry a zloženia v polykryštalickej (kryštalickej) forme karbidu kremíka. Na rozdiel od difrakčných techník, ktoré pri skúmaní vzoriek kladú obmedzenia na veľkosť, tieto metódy umožňujú analýzu nanočastíc ako súčasť práškových vzoriek, ktoré následne tvoria vzorky vhodné pre rôzne experimentálne techniky.

Jedným zo spôsobov výroby vzoriek karbidu kremíka 3C je rozprašovanie organosilánov pri vysokých tlakoch a následné skúmanie štrukturálnych vlastností ich mikročastíc pomocou röntgenovej difrakčnej analýzy, pričom Ramanova spektroskopia môže odhaliť zloženie a usporiadanie atómov; ich Ramanovo spektrum ukáže, ku ktorému polytypu patria, a to prostredníctvom vrcholov súvisiacich s priečnymi optickými (TO) a pozdĺžnymi optickými (LO) fonónmi v Brillouinových zónach, ktoré zodpovedajú priečnym optickým a pozdĺžnym optickým (TO/LO) fonónom v Brillouinových zónach, čím sa odhalí ich zloženie a usporiadanie zložiek.

Tieto optické vlastnosti karbidu kremíka vo veľkej miere závisia od jeho polytypu a dopovania; ich skúmanie je preto kľúčové pre pochopenie fyzikálnych vlastností tohto materiálu. Cenné informácie môžu poskytnúť röntgenové rozptylovanie, Ramanova spektroskopia aj elipsometria.

Na obrázku 1 sú znázornené elipsometrické spektrá polytypov SiC-1, SiC-2 a SiC-3, ako to ilustruje elipsometrická aproximácia ich spektier získaných metódou TL, pričom reálne (e1) a imaginárne (e2) časti ich dielektrických funkcií boli získané pomocou porovnávania dielektrických funkcií s hodnotami vlnových dĺžok pre každú vlnovú dĺžku zvlášť – tieto aproximované hodnoty sú na obrázku 1 znázornené kruhmi a čiarami.

Ellipsometrické merania ukazujú, že dvojlom SiC pod šírkou zakázaného pásma je oveľa nižší ako v prípade kremíka, a to kvôli tomu, že polytypizmus má silný vplyv na mimoriadnu zložku dielektrickej funkcie, zatiaľ čo vplyv na bežnú zložku zostáva slabší. Výsledky priepustnosti polarizovaného svetla túto skutočnosť ďalej ilustrujú na obrázku 2. Absorpcia závisí tiež od polytypu, ako dokazujú tu uvedené výsledky absorpcie nad šírkou zakázaného pásma (pozri obrázok 2).

Zloženie

Karbid kremíka (SiC) je tvrdá chemická zlúčenina pozostávajúca z kremíka a uhlíka. SiC, ktorý bol po prvýkrát synteticky vyrobený na konci 19. storočia, sa odvtedy stal neoceniteľným materiálom pre aplikácie vyžadujúce vysokú odolnosť, ako sú napríklad brúsne materiály. Okrem toho výrobcovia nepriestrelných viest využívajú keramické platne z SiC ako nepriestrelné platne. Prášok alebo kryštály SiC sa dajú tiež spájať do keramických materiálov používaných v brúsnych prostriedkoch, priemyselných peciach a ako diely odolné proti opotrebeniu v čerpadlách a raketových motoroch. Okrem toho slúži SiC aj ako základ pre vysokonapäťové výkonové polovodičové zariadenia.

Karbid kremíka sa od ostatných materiálov odlišuje silnými väzbami medzi atómami Si a C, vďaka čomu má jedinečné fyzikálne a chemické vlastnosti. Vyznačuje sa mimoriadne vysokou tvrdosťou, vynikajúcou chemickou odolnosťou, nízkou mierou tepelnej rozťažnosti a pozoruhodnou elektrickou vodivosťou, ktorá vyplýva z prekrývania sa jeho valenčného a vodivého pásma s pásmami atómov uhlíka, čo umožňuje elektrónom ľahko sa medzi nimi pohybovať.

Dopovanie karbidu kremíka rôznymi prímesami mu umožňuje vykazovať rôzne elektronické vlastnosti. Dopovanie hliníkom vytvára polovodič typu p, zatiaľ čo dopovanie dusíkom alebo fosforom vedie k vzniku polovodiča typu n; pri riadení jeho elektrických vlastností zohrávajú kľúčovú úlohu nielen koncentrácia, ale aj priestorové rozloženie dopantov. Spoločnosť EAG Laboratories ponúka komplexné analytické služby pre karbid kremíka, vrátane techník analýzy objemových vzoriek, ako aj služieb priestorovo rozlíšenej analýzy.

SiC má vyššie prierazové napätie ako štandardné polovodiče na báze kremíka alebo nitridu gália, čo z neho robí ideálny materiál pre výkonové polovodiče. Vďaka širokej šírke zakázaného pásma a veľkej tolerancii napätia dokáže SiC odolávať vysokým napätiam bez tvorby nadmerného tepla alebo zvýšenia odporu – čo IGBT a bipolárne tranzistory nedokážu spoľahlivo. Okrem toho ponúka SiC výnimočnú odolnosť proti korózii a oxidácii, vďaka čomu je vhodný pre extrémne prostredia a náročné prevádzkové podmienky.