Оптичні та пасиваційні властивості плівок карбіду кремнію (SiC)

Карбід кремнію (SiC) швидко став ідеальним матеріалом для монолітно-інтегрованої фотоніки завдяки поєднанню високого показника заломлення, широкої забороненої зони, низького коефіцієнта теплового розширення та чудових властивостей жорсткості. SiC також є чудовим матеріалом для виготовлення дзеркал в астрономічних телескопах.

Результати еліпсометрії ілюструють, що коефіцієнт пропускання і заломлення плівок SiC зростають зі збільшенням температури осадження через зміну товщини шорсткого шару.

Показник заломлення

Карбід кремнію - надзвичайно корисний матеріал з кількох причин. Маючи твердість 9 одиниць за шкалою Мооса, він пропонує неймовірну міцність, що робить його ідеальним для шліфувальних кругів. Крім того, його виняткові характеристики руйнування та стійкість до хімічних реакцій роблять його придатним для хімічної стійкості, а теплопровідність дозволяє працювати при високих температурах без втрати ефективності.

Чудова прозорість ербію в терагерцовому діапазоні в поєднанні з його низькою оптичною шириною забороненої зони і високим показником заломлення роблять його привабливим матеріалом для підкладок у телекомунікаційних системах. Його властивості можна порівняти з нітридом кремнію та сапфіром, проте його коефіцієнт поглинання потужності на ТГц частотах перевищує обидва матеріали; крім того, ефективність передачі також перевищує більшість матеріалів.

Кристалічні структури карбіду кремнію бувають різних форм, відомих як політипи. Кожен політип складається з декількох шарів, щільно упакованих вздовж одного напрямку; кожен шар складається з атомів вуглецю і кремнію, з'єднаних з чотирма атомами протилежного типу в тетраедричній конфігурації зв'язку з метою щільного упакування. Залежно від послідовності укладання, кристалічні структури можуть мати різну форму, наприклад, кубічну, гексагональну або ромбоедричну.

В результаті значення індексу 2H SiC змінюються залежно від товщини і форми плівки, створюючи помітні варіації значень показника заломлення і коефіцієнта екстинкції. Окислювальні середовища, в яких утворюється карбід кремнію, залишають на його поверхні оксидний шар, який необхідно враховувати при вимірюванні оптичних параметрів.

Метод рентгеноструктурного аналізу може бути використаний для отримання профілів електронної густини поверхні цих плівок, що дає змогу отримати EDP, які точно відображають шорсткість поверхні та інтерфейсу, розраховану на основі даних СЕ.

Карбід кремнію можна легувати домішками, щоб змінити його електричні властивості. Чистий SiC діє як електричний ізолятор; при додаванні певних домішок, таких як алюміній, галій або бор, він стає напівпровідником, з якого потім можна виготовляти пристрої для найрізноманітніших застосувань.

Коефіцієнт вимирання

Карбід кремнію (SiC) - це електричний напівпровідниковий матеріал з широкою забороненою зоною і низьким термооптичним коефіцієнтом, що робить його гарним кандидатом для монолітно-інтегрованої фотоніки. Крім того, висока радіаційна твердість і модуль Юнга SiC також роблять його придатним для використання в якості MEMS-датчиків тиску. Однак, через складний хімічний склад і структуру, плівки a-Si1-xCx важко створювати і характеризувати. Це дослідження спрямоване на вивчення як оптичних, так і пасивуючих властивостей плівок SiC:H, отриманих за допомогою технології реактивного магнетронного розпилення для використання в сонячних елементах на основі c-Si. Ці плівки були нанесені на скляні підкладки і протестовані за допомогою рентгенівської рефлектометрії та УФ-спектроскопії, що дозволило провести вимірювання з використанням спектрів високого пропускання від видимого до ближнього інфрачервоного діапазону з коефіцієнтом екстинкції нижче 0,009 при 630 нм; товщина, щільність і шорсткість залишалися постійними при підвищених температурах.

Плівки SiC, осаджені DIBSD, мають аморфні властивості, які запобігають утворенню щільних шарів, таким чином обмежуючи варіації їх оптичних властивостей і зменшуючи варіації зі збільшенням товщини (див. рис. 9 для тенденції збільшення SE і XRR зі збільшенням товщини), що демонструється зміною оптичних властивостей при зміні співвідношення C:Si (рис. 9(b) і 9(c) відповідно).

SiC має як коефіцієнт гасіння, так і втрати енергії через великий час розсіювання електронів і широку електронну заборонену зону, що призводить до менших оптичних втрат, ніж у його кристалічних аналогів. На жаль, його аморфна природа перешкоджає його використанню в МЕМС або в оптиці з перенастроюванням.

A-SiC можна знайти у двох поліморфах: альфа та бета. Кожна форма має свою специфічну кристалічну структуру та температуру плавлення: альфа має гексагональну кристалічну структуру, подібну до вюрциту, в той час як бета-форми мають структуру цинкової суміші, подібну до алмазу. Обидві форми широко використовуються в напівпровідникових електронних пристроях, причому більшість комерційно доступних карбідів кремнію має альфа-форму; крім того, він є основним компонентом ювелірних прикрас з муассаніту, виготовлених із синтетичних рубінів.

Оптичні властивості

Карбід кремнію - привабливий широкозонний напівпровідник з чудовими оптичними властивостями. Зокрема, його високий показник заломлення, низький коефіцієнт згасання і малий коефіцієнт теплового розширення роблять його придатним для фотонних застосувань. Крім того, його легко виготовляти, а електричні властивості роблять цей матеріал дуже привабливим порівняно з традиційними матеріалами. Завдяки низькій вартості та широкому переліку застосувань порівняно з традиційними матеріалами карбід кремнію виділяється як привабливий вибір альтернативного матеріалу.

Оптичні властивості карбіду кремнію можна оцінити за допомогою методів розсіювання рентгенівських променів і спектроскопії комбінаційного розсіювання, що забезпечують неінвазивні способи дослідження його структури і складу в полікристалічній (кристалічній) формі карбіду кремнію. На відміну від дифракційних методів, які обмежують розмір зразків при дослідженні, ці методи дозволяють проводити аналіз наночастинок у складі порошкових зразків, які потім формують зразки, придатні для різних експериментальних методик.

Одним із способів отримання зразків 3C карбіду кремнію є розпилення органосиланів при високому тиску, а потім використання рентгеноструктурного аналізу для вивчення структурних особливостей його мікрочастинок, в той час як спектроскопія комбінаційного розсіювання може виявити склад і розташування атомів; його спектр комбінаційного розсіювання покаже, до якого політипу вони належать, показуючи піки, пов'язані з поперечними оптичними (TO) і поздовжніми оптичними (LO) фононами в зонах Бріллюена, що відповідають поперечним і поздовжнім оптичним і поздовжнім оптичним (TO / LO) фононам в зонах Бріллюена, які і дадуть уявлення про його структуру, а також про композиційне і композиційний розташування.

Ці оптичні властивості карбіду кремнію значною мірою залежать від його політипу та легування; отже, їх вивчення є ключовим для розуміння його фізики. Розсіювання рентгенівських променів, спектроскопія комбінаційного розсіювання та еліпсометрія можуть надати цінну інформацію.

На рисунку 1 показано еліпсометричні спектри політипів SiC-1, SiC-2 і SiC-3, проілюстровані еліпсометричною підгонкою до їхніх спектрів ТЛ, причому дійсні (e1) і уявні (e2) частини їхніх діелектричних функцій були отримані за допомогою похвилевого узгодження діелектричних функцій зі значеннями довжин хвиль - ці значення на рисунку 1 показані колами і лініями.

Еліпсометричні вимірювання показують, що підзонне двопроменезаломлення SiC набагато нижче, ніж у кремнію, через те, що політипізм сильно впливає на його незвичайну складову діелектричної функції, тоді як вплив звичайної складової залишається слабшим. Результати пропускання поляризованого світла ілюструють цей факт на рисунку 2. Поглинання також залежить від політипу, про що свідчать результати надзонного поглинання, показані тут (див. Рисунок 2).

Склад

Карбід кремнію (SiC) - це тверда хімічна сполука, що складається з кремнію та вуглецю. Вперше синтезований наприкінці 19-го століття, SiC став безцінним матеріалом для застосувань, що вимагають високої витривалості, таких як абразивні матеріали. Крім того, виробники бронежилетів використовують керамічні пластини з SiC як куленепробивні пластини. Порошок або кристали SiC також можуть бути скріплені між собою в кераміку, що використовується в абразивах, промислових печах і зносостійких деталях, які можна знайти в насосах і ракетних двигунах, як зносостійкі деталі з SiC. Крім того, SiC слугує основою для високовольтних силових напівпровідникових пристроїв.

Карбід кремнію вирізняється з-поміж інших матеріалів міцними зв'язками, утвореними атомами Si та C, що зумовлює унікальні фізичні та хімічні характеристики. Він має надзвичайно високу твердість, чудову хімічну стійкість, низьку швидкість теплового розширення та чудову електропровідність, що є результатом перекриття його валентної зони з зоною провідності атомів вуглецю, що дозволяє електронам легко переміщатися між ними.

Легування карбіду кремнію різними домішками дозволяє йому проявляти різні електронні характеристики. Легування алюмінієм створює напівпровідник p-типу, в той час як легування азотом або фосфором створює напівпровідник n-типу; концентрація і просторовий розподіл домішок відіграють невід'ємну роль в управлінні його електричними характеристиками. EAG Laboratories пропонує комплексні аналітичні послуги для карбіду кремнію, включаючи як об'ємні методи аналізу, так і послуги просторового аналізу.

SiC має вищу пробивну напругу, ніж стандартні напівпровідники кремнію або нітриду галію, що робить його ідеальним матеріалом для силових напівпровідників. Завдяки широкій ширині забороненої зони та широкій толерантності до напруги, SiC може витримувати високі напруги без виділення надлишкового тепла або збільшення опору - чого не можуть надійно робити IGBT-транзистори та біполярні транзистори. Крім того, SiC має виняткову стійкість до корозії та окислення, що робить його придатним для використання в екстремальних середовищах і суворих умовах експлуатації.