Development of Silicon Carbide Substrates by Carbonization and Ion Implantation of Single -Crystalline Substrates

Abstract

Mechanisms of formation involved in both thin films and crystalline precipitates of silicon carbide (SiC) are studied in this Ph. D. thesis. SiC is fabricated starting from single-crystalline silicon (Si) substrates by carbonization or by ion implantation. The characterization of these structures allows to gather data and better physical and chemical understanding of these systems.

The main objectives are (i) the fabrication and characterization of SiC and other interesting crystalline phases obtained from Si wafers and (ii) to demonstrate that these products are a viable way for using them as templates, compliant, seed or buffer layers in SiC or III-N overgrowth by epitaxial growth techniques. These approaches let the consecution of a crystalline quality enough to the development of devices. Indeed, their use allow a significant reduction of the high defect density present in III-N or SiC alloys compared to their quality when directly grown on Si. Therefore, long life are foreseen for electronic devices that could use these substrates. This is the limit needed for the beginning of their industrial production and commercialization.

Samples studied in this work are framed inside three groups: (1) Silicon Carbide and other phases (Silicon Nitride (Si₃N₄) and carbon nitride (C₃N₄)) synthesized by Silicon ion implantation, (2) Silicon Carbide synthesized by Si carbonisation and (3) Silicon Carbide and Gallium Nitride heteroepitaxial growth on carbonized Si. All these structures are fabricated by techniques derived from classic (i) Ion Beam Induced Crystallization (IBIC), (ii) Chemical Vapour Deposition (CVD) or (iii) Molecular Beam Epitaxy (MBE). Structural characterizations are carried out mainly by (i) Scanning Electron Microscopy (SEM), (ii) Transmission Electron Microscopy (TEM), (iii) Fourier Transform Infra Red Spectrometry (FTIR) and other techniques.

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En esta tesis doctoral se estudian los mecanismos de formación involucrados tanto en películas delgadas como en precipitados cristalinos de carburo de silicio (SiC). El SiC se fabrica a partir de sustratos de silicio monocristalino (Si) por carbonización o por implantación de iones. La caracterización de estas estructuras permite recopilar datos y una mejor comprensión física y química de estos sistemas.

Los objetivos principales son (i) la fabricación y caracterización de SiC y otras fases cristalinas interesantes obtenidas a partir de obleas de Si y (ii) demostrar que estos productos son una forma viable de usarlos como plantillas, capas compatibles, semilla o tampón en SiC o III-N sobrecrecimiento por técnicas de crecimiento epitaxial. Estos enfoques permiten la consecución de una calidad cristalina suficiente para el desarrollo de dispositivos. De hecho, su uso permite una reducción significativa de la alta densidad de defectos presente en las aleaciones III-N o SiC en comparación con su calidad cuando crecen directamente sobre Si. Por lo tanto, se prevé una larga vida útil para los dispositivos electrónicos que podrían utilizar estos sustratos. Este es el límite necesario para el inicio de su producción industrial y comercialización.

Las muestras estudiadas en este trabajo se enmarcan dentro de tres grupos: (1) Carburo de Silicio y otras fases (Nitruro de Silicio (Si3N4) y nitruro de carbono (C3N4)) sintetizadas por implantación de iones de Silicio, (2) Carburo de Silicio sintetizado por carbonización de Si y (3 ) Crecimiento heteroepitaxial de carburo de silicio y nitruro de galio sobre Si carbonizado. Todas estas estructuras se fabrican mediante técnicas derivadas de la clásica (i) cristalización inducida por haz de iones (IBIC), (ii) deposición química de vapor (CVD) o (iii) epitaxia de haz molecular (MBE). Las caracterizaciones estructurales se realizan principalmente por (i) Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), (ii) Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), (iii) Espectrometría Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR) y otras técnicas.