Исследование нановолокон карбида кремния при помощи сканирующей туннельной микроскопии

    Известно, что эпитаксиальное наращивание  на подложку сильно зависит качества поверхности подложки, так как каждый дефект может распространяться в слое в процессе роста и снижать его качество. Поэтому подложка немедленно протравливается перед установкой в аппарат МЛЭ. Однако, поверхностная подготовка SiC затруднена из-за химической стабильности SiC и возможна только в процессе плазменного травления или высоко-температурной подготовки.

    Плазменное  травление выполнено с использованием различных газов, например CF₄/O₂, CCl₂F₂/O₂, SF₆/He и CHF₃/O₂. В отношении метода CVD, травление Н₂ и HCl при высоких температурах (T> 1550 К) также успешно применяется для подготовки поверхности SiC. Следовательно, для представленных исследований образцы подготавливают двух-шаговой процедурой, включающей травление H₂/O₂-плазмой и последующим термическим окислением. Такой процесс предотвращает травление галидами и кислородом, которыми трудно управлять из-за их высокой агрессивности. Остаточные включения и дефекты затем снимались вместе с оксидным слоем при влажной химической обработке в HF. После этого, как было найдено, поверхность имела шероховатость менее 1 нм и свободной от примесей (ниже предела обнаружения электронной Оже-спектроскопии). Найдено, что водород-пассивированная поверхность стабильна против окисления на воздухе в течение 10 – 30 мин.

    Для МЛЭ опытов поверхность подложки SiC подготовлена сублимационным травлением в токе Si при температурах (>1500K), чтобы убрать поверхностные примеси. Попутно, такая подготовка Si дает десорбцию оксидов кремния путем образования летучих монооксидов и одновременно избегается графитизация поверхности из-за истощения поверхности Si при высоких температурах. Травлением Si получена хорошо развитая шаговая структура. Это сравнимо с результатами высоко температурной подготовки с использованием H и HCl.

    Метод МЛЭ наращивания, морфология и структура  поверхности исследовались ОДБЭ. Также образцы исследовались просвечивающей электронной микроскопией TEM, атомно силовой микроскопией AFM и сканирующей электронной микроскопией SEM, а также измерениями рентгеновской диффракции.

    Выводы. Описано МЛЭ выращивание выращивание новых видов полупроводниковых гетероструктур на основе политипов SiC. продемонстрировано, что формирование основных политипов в период зародышеобразования происходит из-за комплексного взаимодействия между их термодинамическими свойствами и условиями роста. Гетерополитипичные структуры SiC получены переключением условий роста из низких температур (1550 К) и Si-обогащенным коэффициентом Si/C (3C-SiC) к высоким температурам (1600 К) и С-обогащенным коэффициентом Si/C (4Н- и 6Н-SiC). Был продемонстрирован контролируемый рост гетерополитипичных структур SiC, состоящих из гексагональных и кубических политипов, как 4Н/3C/4H-SiC (0 0 0 1) и 6H/3C/6H-SiC (0 0 0 1). Таким образом, четкость гетерополитипичных границ зависит от гладкости поверхности. Изменение условий от Si-обогащенных к более С-обогащенным легко может быть проконтролировано путем изменения сверхструктуры поверхности из (1×1) к (√3×√3)R30^o структур.

    На  неосевых подложках мультигетероструктуры, состоящие из более чем 20 гетеросоединений, были получены путем первичного отборанитеподобных зародышей 3С-SiC на терассах хорошо подготовленных гексагональных подложек SiC (0 0 0 1) при низких Т (<1500 К) и последовательными потоков волокон 3С и окружающим материалом α-SiC. Количество волокон 3С-SiC определяется шириной террас и температурой роста, тогда как  их толщина (и толщина последовательных выращенных тонких слоев) определяется высотой шага на подложке, который подобен квантовой стенке в несколько нанометров.

    Изменение политипов было зафиксировано образцами  Кикуччи, показанными в ОДБЭ.

    В опытах с фотолюминесценцией и электрическими измерениями слоев, состоящих из мультиквантовых стеночных структур, поведение отличалось от того, что было найдено для слоев SiC. В слоях, содержащих гетерополитипичные структуры, появляются дополнительные пики, которые можно объяснить в пределах триангулярной квантовой стенки 3C-SiC. Более того, высокая концентрация носителей электронов и модуляция их концентраций в пределах слоя фиксирует локализацию носителей.

    В дальнейшем было продемонстрировано, что стехиометрия поверхности является ключевой для МЛЭ выращивания SiC, особенно при низких температурах.

    В будущем полученные результаты также  открывают способы для выращивания и исследования маломерных структур с мерностью до 0, как например квантовые точки SiC. Применение гетерополитипичных структур SiC в устройствах, на подобии транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) или резонансных туннельных диодов, должно стать возможным сейчас. По этому методу в деталях могут быть изучены свойства новых типов гетероструктур.

    Полученные  результаты должны быть пригодны такжи  и для подготовки других видов  гетерополитипичных структур, таких  как Si вюрцит/цинковая обманка. Это открыло бы возможность использовать резонансные туннельные диоды из Si, без каких-либо включений, в запоминающих и логических контурах.