《Materials Research Bulletin》：Temperature-Dependent Microwave Characterisation of Ion-Implanted 4H-SiC Substrates for Graphene-on-SiC Systems
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硅 carbide (SiC)低能离子注入（LEII）后石墨烯（GR）的生长与去除对微波性能的影响。通过分立式贴片介质谐振器（SPDR）和Q-阻挡分裂圆柱谐振器（Q-SCR）在5-35GHz范围内进行温度依赖性测量，发现植入能（10keV和40keV H?）显著改变SiC的介电常数、损耗正切和电阻率温度稳定性。高能植入（40keV）导致更深缺陷，电阻率下降更显著，但微波性能受界面传导机制改变影响更大。
?ukasz Nowicki | Ma?gorzata Celuch | Wojciech Wojtasiak
QWED Sp. z o.o., Krzywickiego 12, 02-078 华沙, 波兰
摘要
碳化硅（SiC）是一种宽带隙半导体，适用于高温或高压电子设备。石墨烯在碳化硅（GRSiC）体系中的应用在磁场传感、功率监测和化学传感方面显示出巨大潜力。然而，一个已知的问题是SiC的电阻率在高温下会降低。在M-ERA.NET I4BAGS项目中，我们探索了在石墨烯外延之前对SiC进行低能离子注入（LEII）以缓解这一效应。虽然直流特性测试表明GRSiC的热稳定性有所提高，但微波谐振器测量揭示了其他现象。我们使用分裂后介质谐振器（SPDR）和Q-阻塞分裂圆柱谐振器（Q-SCR）在5-35 GHz频段内对样品进行了温度依赖性测试。研究了三种半绝缘高纯度轴向4H-SiC(0001)衬底：未注入离子的样品以及分别注入10 keV和40 keV氢离子的样品。在每种衬底上生长了石墨烯并随后将其去除。测量结果表明，LEII改变了体导电和界面导电机制之间的平衡。
引言
碳化硅（SiC）的大能隙和高热导率使其适用于在恶劣条件下工作的电子设备[1]、[2]、[3]。石墨烯在碳化硅（GRSiC）结构中的应用进一步实现了无需转移的石墨烯器件，可用于传感和功率监测[4]。最近的研究展示了4H-SiC(0001)基石墨烯霍尔传感器在高温下的热稳定性[5]、[6]，这激发了人们对利用外延低能离子注入（LEII）作为稳定器件在高温下运行的工艺因素的研究兴趣。
同时，SiC衬底及其界面的微波特性，特别是温度依赖的导电性和介质损耗，直接影响谐振器的Q值[7]。I4BAGS项目[8]通过结合LEII与全面的材料表征（包括基于谐振器的微波测量[9]、[10]、[11]）来研究这一界面。
诸如SPDR[12]和Q-SCR[13]之类的谐振方法能够灵敏地检测5-35 GHz频段内样品参数的微小变化。这些方法已经建立了不确定性框架和可追溯的工作流程[14]。测量在5、10和15 GHz频率下进行，还包括在20和35 GHz下运行的Q-SCR腔体。具体硬件设置和数据集在第2节中提供。该频率范围最初是在室温下进行的；随后，选择了10 GHz的SPDR来研究气候室中SiC的温度依赖性特性。我们研究了不同氢离子注入能量（10 keV vs 40 keV）以及随后的石墨烯生长和去除对SiC 4H-SiC(0001)温度依赖性微波特性的影响。
尽管直流研究表明LEII处理的GRSiC具有更好的热稳定性[15]，但微波测量结果却显示出不同的现象，因为射频场探测的是有限的穿透深度，而不仅仅是单纯的载流子传输。这种差异为高温GRSiC传感器的设计提供了重要指导。
本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了SiC 4H-SiC(0001)衬底、使用10 keV和40 keV氢离子的低能离子注入（LEII）工艺、石墨烯的生长和去除步骤，以及测量设置（5、10和15 GHz的SPDR和20、35 GHz的Q-SCR腔体）和气候室实验程序。第3节展示了室温下的交叉样品验证以及有效介电常数ε_r、损耗正切tanδ和微波电阻率ρ的温度依赖性趋势。第4节讨论了可能的物理机制。第5节总结了关键结果，并提出了对SiC加工和微波测量的影响。
样品制备
样品制备
我们研究了半绝缘、高纯度的轴向4H-SiC(0001)衬底（图1a），这些衬底是从4英寸、厚度为500微米的晶圆切割而成的。这里的“半绝缘”指的是通过补偿掺杂实现的具有非常高电阻率的材料，这种掺杂抑制了自由载流子的传导并最小化了寄生微波损耗。样品被加工成27毫米×27毫米的正方形，表面经过Si处理，适用于外延和微波谐振器测量（图1b）。
结果
操作条件和程序：
- 1. 室温验证。完整的5-35 GHz测试套件（SPDR 5/10/15 GHz + Q-SCR 20/35 GHz）在22-24°C下进行，以验证样品间的一致性并建立频率依赖性参考值。
- 2. 我们选择了10 GHz的SPDR在气候室中进行测试，在每次加载前先进行空谐振器参考测量。
- 3. 对于每个SiC样品（参考样品、注入10 keV或40 keV氢离子的样品；包含/不包含石墨烯生长和去除过程），我们重复了相应的测试。
讨论
植入氢离子（H?）后，电阻率ρ随温度T的单调降低与SiC 4H-SiC中热激活的载流子一致。注入40 keV氢离子时，电阻率下降的斜率大约是注入10 keV氢离子时的6倍，这表明更深的损伤/缺陷影响了谐振器的最大场强，加速了温度辅助的导电过程（例如，通过缺陷态的跳跃）。相比之下，注入10 keV氢离子影响的区域较短，其斜率更接近参考值。
经过外延和修复（E&R）处理后...
结论
我们展示了SiC 4H-SiC在注入氢离子（10 keV和40 keV）后进行石墨烯外延前后的温度依赖性微波特性。在E&R处理之前，所有样品的电阻率随温度降低；其中注入40 keV氢离子的样品电阻率降低幅度约为未注入样品的6倍。E&R处理后，植入样品的电阻率降低了2-3个数量级，并且温度敏感性也发生了变化（在20-100°C范围内）。温度稳定性测试得出了标准结果...
作者贡献声明
Nowicki Lukasz：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化处理、数据验证、软件开发、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。
Celuch Malgorzata：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹集。
Wojciech Wojtasiak：项目监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了波兰国家研究与发展中心的支持，合同编号为M ERA.NET3/2021/83/I4BAGS/2022（M-ERA.NET I4Bags项目）和InnovativeSMEs/4/100/5G_Foil/2023（EUREKA-Eurostars 5G_Foil项目）。特别感谢我们的I4BAGS项目合作伙伴：L-IMIF提供SiC样品；IONICs负责样品的离子注入工作；同时感谢Marzena Olszewska-Placha博士在Q-SCR测量中的协助。
