mbe started
[lectures/latex.git] / posic / thesis / sic.tex
index 677539a..fc0998a 100644 (file)
@@ -166,13 +166,42 @@ Thus, in most of the applied CVD and MBE processes, the SiC layer formation proc
 Cleaning of the substrate surface with HCl is required prior to carbonization.
 During carbonization the Si surface is chemically converted into a SiC film with a thickness of a few nm by exposing it to a flux of C atoms and concurrent heating up to temperatures about \unit[1400]{$^{\circ}$C}.
 In a next step, the epitaxial deposition of SiC is realized by an additional supply of Si atoms at similar temperatures.
-Low defect densities in the buffer layer are a prerequisite for obtaining good quality SiC layers during growth, although defect densities decrease with increasing distance of the SiC/Si interface \cite{}.
-Next to surface morphology defects such as pits and islands, the main defects in 3C-SiC heteroepitaxial layers are twins, stacking faults (SF) and antiphase boundaries (APB) \cite{}.
-
-
-off-axis?
-
-lower temps ... to limit thermal stress due to differing expansion coefficients ...
+Low defect densities in the buffer layer are a prerequisite for obtaining good quality SiC layers during growth, although defect densities decrease with increasing distance of the SiC/Si interface \cite{shibahara86}.
+Next to surface morphology defects such as pits and islands, the main defects in 3C-SiC heteroepitaxial layers are twins, stacking faults (SF) and antiphase boundaries (APB) \cite{shibahara86,pirouz87}.
+APB defects, which constitute the primary residual defects in thick layers, are formed near surface terraces that differ in a single-atom-height step resulting in domains of SiC separated by a boundary, which consists of either Si-Si or C-C bonds due to missing or disturbed sublattice information \cite{desjardins96,kitabatake97}.
+However, the number of such defects can be reduced by off-axis growth on a Si \hkl(0 0 1) substrate miscut towards \hkl[1 1 0] by \unit[2]{$^{\circ}$}-\unit[4]{$^{\circ}$} \cite{shibahara86,powell87_2}.
+This results in the thermodynamically favored growth of a single phase due to the uni-directional contraction of Si-C-Si bond chains perpendicular to the terrace steps edges during carbonization and the fast growth parallel to the terrace edges during growth under Si rich conditions \cite{kitabatake97}.
+By MBE, lower process temperatures than these typically employed in CVD have been realized \cite{hatayama95,henke95,fuyuki97,takaoka98}, which is essential for limiting thermal stresses and to avoid resulting substrate bending, a key issue in obtaining large area 3C-SiC surfaces.
+In summary, the almost universal use of Si has allowed significant progress in the understanding of heteroepitaxial growth of SiC on Si.
+However, mismatches in the thermal expansion coefficient and the lattice parameter cause a considerably high concentration of various defects, which is responsible for structural and electrical qualities that are not yet statisfactory.
+
+The alternative attempt to grow SiC on SiC substrates has shown to drastically reduce the concentration of defects in deposited layers.
+By CVD, both, the 3C \cite{kong88,powell90} as well as the 6H \cite{kong88_2,powell90_2} polytype could be successfully grown.
+In order to obtain the homoepitaxially grown 6H polytype, off-axis 6H-SiC wafers are required as a substrate \cite{kimoto93}.
+%In the so called step-controlled epitaxy, lateral growth proceeds from atomic steps without the necessity of preceding nucleation events.
+Investigations indicate that in the so-called step-controlled epitaxy, crystal growth proceeds through the adsorbtion of Si species at atomic steps and their carbonization by hydrocarbon molecules.
+This growth mechanism does not require two-dimensional nucleation.
+Instead, crystal growth is governed by mass transport, i.e. the diffusion of reactants in a stagnant layer.
+In contrast, layers of the 3C polytype are formed on exactly oriented \hkl(0 0 0 1) 6H-SiC substrates by two-dimensional nucleation on terraces.
+{\color{red} Source of APB defects ...}
+However, lateral 3C-SiC growth was also observed on low tilt angle off-axis substrates originating from intentionally induced dislocations \cite{powell91}.
+Additionally, 6H-SiC was observed on clean substrates even for a tilt angle as low as \unit[0.1]{$^{\circ}$} due to low surface mobilities that facilitate arriving molecules to reach surface steps.
+Thus, 3C nucleation is assumed as a result of migrating Si and C cointaining molecules interacting with surface disturbances by a yet unknown mechanism, in contrast to a model \cite{ueda90}, in which the competing 6H versus 3C growth depends on the density of surface steps.
+{\color{red} This can be employed to create 3C layers with reduced density of APB defects.}
+
+Lower growth temperatures, a clean growth ambient, in situ control of the growth process, layer-by-layer deposition and the possibility to achieve dopant profiles within atomic dimensions due to the reduced diffusion at low growth temperatures reveal MBE as a promising technique to produce SiC epitaxial layers.
+gas source ... 3C on 6H
+3C on 3C homoepitaxy by ALE
+6H on 6H ...
+Problem of gas source ... strong adsorption and incorporation of atomic decomposited hydrogen of the gas phase reactants at low temperatures.
+Growth rate lower than desorption rate of hydrogen ...
+Solid source MBE may be the key to avoid such problems ...
+Realized on and off-axis 3C on 4H and ... \cite{fissel95,fissel95_apl} ...
+Nonstoichiometric reconstruction plays a relevenat role ... handled by Si/C flux ratio ... \cite{fissel96,righi03} ...
+change in adlayer thickness and, consequently, in the surface super structure leading to growth of another polytype \cite{fissel95} ...
+Possibility to grow heterostructures (band gap engineering) by careful control of the Si/C ratio and Si excess.
+
+To summarize ... remaining obstacles are ... APB in 3C ... and micropipes in hexagonal SiC?
 
 \section{Ion beam synthesis of cubic silicon carbide}