Growth of Nanostructured and Functional Materials
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3C-SiC
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Thin films of cubic silicon carbide (3C-SiC) are grown on silicon by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) using silane, propane, ethilene, methyl trichloro silane as reagents. n-doping is obtained with nitrogen.
3C-SiC is a wide bandgap semiconductor used in MEMS sensors (micro electro mechanical systems), in high power devices and as a single photon emitter.
Crystalline 3C-SiC is typically grown at 1380°C in hydrogen. The process was optimized to minimize the strain and the interfacial defects (voids) between 3C-SiC and silicon substrate.

3C-SiC for strain sensing

3C-SiC layers were deposited on SOI substrates (semiconductor on instulator) and processed at IMM-CNR Bologna to realize high -sensitivity strain microsensor. These sensor could be used in harsh environments (e.g. high temperature furnaces, engines,e tc).

SiC MEMS
3C-SiC/SOI MEMS structure for strain sensing (IMM-BO)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Test station
Measurement setup for strain sensing (IMM-BO)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3C-SiC per fotonica

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PER MAGGIORI INFORMAZIONI

 

 

HIGHLIGHTS

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

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