Crescita di Materiali Nanostrutturati e Funzionali
Referente: Verucchi Roberto
3C-SiC
   PER MAGGIORI INFORMAZIONI: Matteo Bosi - +39 0521269288 - matteo.bosi@imem.cnr.it

 

Strati sottili di carburo di silicio in forma cubica (3C-SiC) vengono cresciuti su silicio mediante epitassia da fase vapore (MOVPE) utilizzando silano, etilene, propano, metil-tricloro-silano come reagenti. Il drogaggio di tipo n è ottenuto mediante azoto.
Il 3C-SiC è un semiconduttore ad alta gap che ha trovato impiego in sensori di tipo MEMS (micro electro mechanical systems), in elettronica di alta potenza e come emettitore di singoli fotoni.
La temperatura di crescita raggiunge tipicamente i 1380 °C, in ambiente di idrogeno, e il processo è stato ottimizzato per minimizzare lo strain e i difetti all'interfaccia tra silicio e SiC.

3C-SiC per strain sensing

Sono stati depositati strati di 3C-SiC su substrati SOI (semiconductor on instulator), poi processati dai colleghi di IMM-CNR Bologna per realizzare microsensori di strain ad alta sensibilità, utilizzabili in ambienti "estremi" (e.g. alta temperatura e ambienti chimici ostili quali camere di combustione)

SiC MEMS
Struttura MEMS a base di 3C-SiC/SOI per strain sensing (IMM-BO)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Test station
Setup di misura per sensori di strain (IMM-BO)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SiC strain sense
Shift in frequenza del risonatore in 3C-SiC in funzione dello strain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3C-SiC per fotonica

Difetti puntuali nel 3C-SiC opportunamente ingegnerizzati possono funzionare da emettitore di singoli fotoni. Difetti di punti sono stati creati mediante un processo di ossidazione da colleghi presso RMIT di Melbourne (Australia) e sono stati integrati in risonatori tipo microdisk. Hanno mostrato proprietà emissive tipo singolo fotone nel visibile.

SiC microdisk
Microstrutture circolari sospese di 3C-SiC / Si

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SiC single photon emission
Emissioni da singolo fotone da strutture microdisk in 3C-SiC.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nanofili core/shell 3C-SiC/SiO2

Mediante tecnica CVD vengono realizzate nanostrutture tipo core/shell di 3C-SiC/SiC, impiegate per lo sviluppo di nanosistemi per la cura di tumori mediante terapia fotodinamica.

 

Ottimizzazione e trasferimento industriale di un processo per la deposizione di 3C-SiC 

In collaborazione con Anvil Semiconductors LTD (UK) E' stato sviluppato un processo in grado di minimizzare i difetti di interfaccia tra SiC e silicio (voids). Il processo è stato ottimizzato sul reattore VPE del laboratorio di IMEM, individuando trend e ruolo dei parametri di crescita. In seguito, seguendo le idee e i risultati ottenuti, il processo è stato trasferito con successo su un reattore epitassiale di scale industriale.

E' stato inoltre studiato un processo utilizzando triclorosilano come reagente, per aumentare il rate di crescita del film.

Riduzione dei void superficiali
Riduzione dei void superificali all'interfaccia tra SiC e Si

 

L’efficacia dei trattamenti chimici post-crescita è stata verificata attraverso analisi di superficie con tecniche spettroscopiche e strutturali. Nel laboratorio IMEM di Trento è stato possibile verificare la pulizia della superficie a seguito di trattamenti di ossidazione e rimozione dell’ossido con acido fluoridrico.

Tecniche di spettroscopia di fotoemissione (sia da raggi X che UV) hanno permesso di stabilire il grado di pulizia e la terminazione della superficie (in questo caso silicio), mentre tecniche di diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED) hanno evidenziato la presenza di una superficie estremamente ordinata e cristallina.

La cristallinità della superficie di SiC trattato chimicamente è rilevata da un pattern di diffrazione LEED.
La cristallinità della superficie di SiC trattato chimicamente è rilevata da un pattern di diffrazione LEED.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PUBBLICAZIONI

L. Belsito, M. Bosi, F. Mancarella, M. Ferri, A. Roncaglia
Nanostrain Resolution Strain Sensing by Monocrystalline 3C-SiC on SOI Electrostatic MEMS Resonators
Journal of Microelectromechanical Systems 29 (2020) 117

T. Fan, X. Wu,  A.A . Eftekhar, M. Bosi, H. Moradinejad, E. V. Woods, A. Adibi
High-quality integrated microdisk resonators in the visible-to-near-infrared wavelength range on a 3C-silicon carbide-on-insulator platform
Optics Letters Vol. 45, Issue 1, pp. 153-156 (2020)

A. Lohrmann, T. J. Karle, V. K. Sewani, A. Laucht, M. Bosi, M. Negri, S. Castelletto, S. Prawer, J. C. McCallum, B. C. Johnson
Integration of Single-Photon Emitters into 3C-SiC Microdisk Resonators
ACS Photonics 4 (2017) 462

A. Lohrmann, S.  Castelletto, J.R Klein, T. Ohshima, M. Bosi, M. Negri, D.W.M Lau, B.C. Gibson, S. Prawer, J.C. McCallum, B.C Johnson
Activation and control of visible single defects in 4H-, 6H-, and 3C-SiC by oxidation
Applied Physics Letters 108 (2016) 021107

M. Bosi, C. Ferrari, D. Nilsson, P.J. Ward
3C-SiC carbonization optimization and void reduction on misoriented Si substrates: From a research reactor to a production scale reactor
CrystEngComm 18 (2016) 7478

M. Bosi, G. Attolini, M. Negri, C. Frigeri, E. Buffagni, C. Ferrari, T. Rimoldi, L. Cristofolini, L. Aversa, R. Tatti, R. Verucchi
Optimization of a buffer layer for cubic silicon carbide growth on silicon substrates
Journal of Crystal Growth 383 (2013) 84