Modificação e caracterização da superfície do carbeto de silício para a aplicação em dispositivos

Abstract

Nanodispositivos funcionais têm atraído grande interesse científico e tecnológico em diversas áreas, como energia, eletrônica, meio ambiente, entre outros. Para a produção de dispositivos é importante que o substrato empregado seja livre de defeitos, pouco rugoso (< 1 nm rms), e idealmente, atomicamente plano. Sendo assim, neste trabalho empregou-se o método de etching de hidrogênio a temperaturas ≤ 700°C para o desbaste da superfície de carbono (C) do carbeto de silício hexagonal (SiC (0001)), um importante substrato de relevância tecnológica e larga aplicação em dispositivos. O objetivo do trabalho é estudar as modificações superficiais do SiC após etching de hidrogênio através de técnicas de caracterização ex-situ como microscopia de força atômica (atomic force microscopy - AFM) e in-situ como difração de elétrons de baixa energia (low energy electron diffraction - LEED). A elevada dureza e inércia química desse material dificulta a obtenção de superfícies pouco rugosas, principalmente a partir de procedimentos de polimento a baixas temperaturas. Além disso, o polimento químico-mecânico comumente utilizado em uma das faces do SiC durante sua produção resulta em ranhuras na superfície com profundidade de ~ 0.7 nm e rugosidade rms em torno de 0,4 nm. Aqui, esta superfície foi submetida a processos de etching de hidrogênio atômico e molecular em diversas proporções (0% ≤ H ≤ 90% do fluxo) em temperatura de processo igual ou menor que 700°C. Observou-se que para processos de etching a 700°C há uma diminuição da profundidade destas ranhuras para até ~ 0,3 nm. A diminuição das imperfeições na superfície do SiC visa obter substratos pouco rugosos, por exemplo, para a aplicação em dispositivos eletrônicos baseados em materiais 2D.

Functional nanodevices attract great scientific and technological interest in several areas such as energy, electronics, and environmental applications. An ideal defectless crystalline substrate with rms roughness less than 1 nm is desirable for device construction. Therefore, this work aims to investigate the polishing of the carbon face of hexagonal silicon carbide (SiC (0001)) by means of hydrogen etching at temperatures below 700°C. SiC is a wide bandgap semiconductor and an important substrate in the field of electronic devices. In this work, SiC surface modification after hydrogen etching is studied ex-situ by atomic force microscopy (AFM) and in-situ by low-energy electron diffraction (LEED). The chemical-mechanical polishing commonly used on SiC during wafer production results in scratches with a depth of ~ 0.7 nm and surface rms roughness ~ 0.4 nm. However, the achievement of a smoother surface is hindered by the high hardness and chemical inertness of the SiC. Here, we subjected the carbon face of SiC to an atomic and molecular hydrogen beam at different rates (0% ≤ H ≤ 90%) and temperatures equal or below than 700°C. It was observed that at 700°C there is a decrease of scratches’ depth up to ~ 0.3 nm. This smoothness improvement makes SiC feasible to be used as substrate, for instance, in electronic devices based on 2D materials.