【正文】 目 錄納米SiC薄膜的光電特性研究畢業(yè)論文目 錄第1章 緒 論…………………………………………………………………………1………………………………………………………………………1 SiC材料的結構和性質…………………………………………………………3……………………………5…………………………………………………5……………………………………………6…………………………7…………………………………………………8第2章 實驗原理及技術………………………………………………………………10 樣品的制備…………………………………………………………………………10 薄膜的形貌和結構分析技術………………………………………………………10（FTIR）……………………………………………10 X射線的衍射分析（XRD） …………………………………………………11 原子力顯微鏡（AFM）………………………………………………………11（SEM）……………………………………………………12……………………………………………………………12－可見光透射譜(UVVIS Transmission)……………………………12(PL)和熒光激發(fā)譜（PLE）……………………………………1光電特性表征技術……………………………………………………13…………………………………13…………………………………………………15第3章 納米碳化硅薄膜的制備及紫外發(fā)光特性…………………………………………18………………………………………19………………………………………………………………22………………………………………………………………………………23第4章 摻雜納米碳化硅的光學和電學特性……………………………………………24………………………………………………………24………………………………………………25…………………………………………26…………………………………………………27……………………………………………………28……………………………………………28……………………………………30……………………………………………………31…………………………………………………31 SiC的歐姆接觸……………………………………………………………32………………………………………32……………………………………………33……………………………………………36 np ncSiC/Si異質結的IV特性…………………………………………37 ncSiC/Si異質結的電輸運特性…………………………………………38………………………………………………………………………………41第5章 納米碳化硅/硅異質結的光電壓特性……………………………………………42…………………………………………………42 ncSiC/Si異質結的表面光電壓特性………………………………………………43 SiC在異質結中的窗口效應………………………………………………43…………………………44 ncSiC/Si異質結的時間分辨光電壓特性……………………………………46 本章小結…………………………………………………………………………49結束語………………………………………………………………………………………51參考文獻……………………………………………………………………………………54致謝……………………………………………………………………………………58I第1章 緒論第1章 緒論現代微電子、光電子技術的高速發(fā)展，帶動了半導體材料及其新型器件的發(fā)展。硅（Si）是主宰當今電子工業(yè)的材料，然而Si器件的特性及使用存在很大的局限性：大都只能在200℃以下的熱環(huán)境中工作，而且最高工作頻率、最大允許電流、器件頻率和放大特性、抗輻射損傷、耐高擊穿電壓性能以及發(fā)光的波長范圍等都不能完全滿足微電子技術高度發(fā)展對高溫、高頻、高功率、高速度以及抗惡劣環(huán)境、發(fā)射高亮度藍色可見光的新要求。碳化硅（SiC）是繼第一代半導體材料硅和第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）之后發(fā)展起來的第三代半導體材料，并且是一種應用潛力巨大的極端電子學材料。由于SiC材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移速度等特點，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應用潛力，并將逐步取代現有的硅和砷化鎵基光電器件。許多國家相繼投入了大量的資金對SiC進行了廣泛深入的研究，并己在SiC晶體生長技術、關鍵器件工藝、光電器件開發(fā)、SiC集成電路制造等方面取得了一定的突破，為軍用電子系統(tǒng)和武器裝備性能的提高，以及抗惡劣環(huán)境的電子設備提供了新型器件，一場碳化硅引導的電子工業(yè)革命變革時代即將到來。傳統(tǒng)微電子技術中信息的載體是電子，隨著信息技術的高度發(fā)展，它已嚴重限制了信息處理的速度和能力。為了推動信息產業(yè)的發(fā)展，人們一直希望將光子作為信息載體引入集成技術形成光電子集成來突破此“瓶頸”效應。前兩種應用的前提是需要一個能夠工作在77K以上的硅基光源和光探測器。光發(fā)射器件作為芯片上光互連基本器件的組成之一，它包括硅基和非硅基發(fā)光器件〔主要是指III V族半導體發(fā)光器件〕。III V族化合物都是直接帶隙材料，發(fā)光效率很高；但由于現代的超大規(guī)模集成電路是制造在硅片上的(晶體硅、鍺作為傳統(tǒng)的微電子技術的基礎材料，它們占當前整個半導體產品的95%，廣泛應用于計算機和各種電子產品)，加之可以利用現有的完善的硅平面集成電路技術，雖然硅是間接帶隙半導體，發(fā)光效率很低，研究硅基發(fā)光材料無論是從技術發(fā)展還是經濟效益看都是比較合理的。硅基發(fā)光器件主要圍繞如何提高發(fā)光效率和光子能量而被人們廣泛關注著，并且短波長的發(fā)光器件由于具有更高的存儲密度和更快的讀寫速度，也已成為信息領域中半導體器件研究的一個熱點。在硅基發(fā)光材料中，半導體納米復合薄膜尤其是硅基納米鑲嵌復合薄膜，由于納米粒子的引入，基于量子尺寸效應的能隙寬化、可見光光致發(fā)光、共振隧道效應、非線性光學等獨特的光電性能可望在光電子領域得到廣泛應用，從而引起了國內外材料界和物理界的高度重視。硅基納米顆粒在絕緣基質中受外界影響小，發(fā)光性能穩(wěn)定，并且基質SiC中某些缺陷能夠發(fā)射可見光[1]，且致密穩(wěn)定，與硅有極好的匹配，可以廣泛應用于硅器件和集成電路工藝。SiC由于較高的帶隙（Eg）是短波長發(fā)射的理想材料。目前，有很多關于 Si 基發(fā)光材料和器件的報導，但是多數還局限于光致發(fā)光，要真正達到Si基SiC發(fā)光器件以及SiC的二極管、晶體管、太陽能電池和簡單集成電路的商業(yè)化應用，實現SiC的同質和異質結構是必須的。異質結構材料和器件的研究為大幅度提高器件和電路性能開辟了一條新的道路，并已成為“能帶工程”的重要內容。然而在當今半導體產品中異質結器件所占的比例仍較小，造成這一情況的主要原因有:占主導地位的半導體材料—硅不能與其它化合物半導體兼容；GaAs等化合物半導體材料不僅熱耗大、成本高，而且目前制備位錯密度小、均勻性好的大直徑GaAs單晶仍很困難，限制了它的廣泛應用和發(fā)展。八十年代末，隨著分子束外延、金屬有機物化學氣相淀積等超薄外延技術的發(fā)展，高質量的Si基異質材料的生長技術取得了長足的進步，極大地促進了異質結器件和電路的快速發(fā)展。Si基SiC/Si工藝一方面可充分發(fā)揮異質結的優(yōu)異性能，另一方面又很好地利用了成熟的硅平面工藝的長處，因而受到國際上的廣泛重視，SiC/Si異質結器件電路即將成為最活躍的熱門研究領域之一。在太陽能電池領域，由于aSiC或μCSiC具有較高的帶隙，因此可以代替aSi做窗口層，以改善電池的短波光譜響應[2],并且由于其對長波光較小吸收，還可以增加量子效率，減小串連阻抗從而提高電池的轉換效率。并且這些器件在制備上主要采用離子束注入、磁控濺射、化學氣相沉積等現代化薄膜沉積技術，所以可與現有的硅集成電路制造工藝兼容。所有這些特點使得硅基納米碳化硅復合薄膜在光電器件、太陽能電池、傳感器、電發(fā)光二極管等領域有著廣泛的應用前景[36]，因而日益成為研究和關注的焦點。另一方面，目前硅電子集成電路的發(fā)展在物理和技術上都已經逼近了極限，信息、處理系統(tǒng)器件就需要按照新的原理來設計。根據美國半導體工業(yè)協(xié)會預計，到2010年半導體器件的尺寸將達到100納米，這正好是納米結構器件的最大尺度。由于量子效應，微電子器件的極限線寬一般認為是70納米。小于這一尺寸，原先以晶體管效應為基礎的工作模式將不再適用。這就必須研究納米尺度中的理論問題和技術問題，建立適應納米尺度的新的集成方法和新的技術標準。 SiC材料結構和性質SiC是IVIV族二元化合物，也是元素周期表IV組元素中唯一的穩(wěn)定固態(tài)化合物。其晶格結構由致密排列的兩個亞晶格組成，每個Si或（C）原子被四個C(或Si)原子包圍著，并通過定向的強四面體SP3鍵結合在一起[7]。,，有一定程度的極化，其中離子性對鍵合的貢獻約為12%[8]。所以SiC晶體是主要由共價鍵結合而成的原子晶體，因而硬度較高。SiC鍵的鍵能大于SiSi鍵的鍵能，而小于CC鍵和BN鍵的鍵能，因此，SiC的硬度比Si的硬度大而比金剛石和立方氮化硼(cBN)硬度小。，克氏硬度為3 X 103kg/mm2，楊氏彈性模量為4 X 104kg/mm2。特殊的晶體結構決定了SiC異常突出的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，同時也決定了它具有較寬的帶隙和優(yōu)良的抗輻射性能，以及優(yōu)異的力學和熱傳導性能。從晶體結構上講SiC最顯著的特征是存在同質多型體現象。SiC有許多同質多型體，己發(fā)現的SiC同質多型體就有250多種。多型體SiC之間的相互區(qū)別僅僅在于每對SiC原子層堆垛次序不同，在沿密排方向的原子堆垛過程中，每對SiC原子層可以有各種不同的堆垛次序，從而構成了大量不同SiC原子層周期結構的SiC多型體。由于晶體的對稱性取決于堆垛次序的周期性，SiC多型體可以分為三種基本的晶體類型，即立方晶系(C)、六角晶系(H)和三角晶系(R), 立方晶系的3CSiC又稱為βSiC，具有六角和三角晶系結構的SiC多型體又稱為aSiC。SiC不同的多型體具有相同的化學性質，但是其物理性質，特別是半導體性質方面表現出各自的特性。例如，不同的結晶狀態(tài)具有不同的帶隙寬度， eV, eV。由于帶隙寬度的不同，它們呈現出不同的體色，βSiC透射和反射黃色，6HSiC呈無色。由于SiC多型體具有不同的物理性質，因而用途也不一樣。6HSiC是最穩(wěn)定的結構，多用于光電子學器件。而βSiC則比6HSiC活潑,較適應于制造高溫、大功率、高頻器件[9]及其它薄膜材料(如AlN, GaN、金剛石)的襯底和X射線的掩膜等。由于SiC特殊的晶體結構，決定了其具有許多優(yōu)異的性質。SiC作為一種高溫結構材料，具有一系列與金剛石、cBN相似的性質，如較高的硬度、大的高溫強度、優(yōu)越的耐腐蝕性、良好的導熱性能、較小的膨脹系數、強的抗熱震性及氧化性等優(yōu)良特性。作為一種高溫半導體材料，SiC具有比Si優(yōu)越得多的熱穩(wěn)定性和耐高溫性，具有較高的擊穿電場以及較寬的能帶結構。表11碳化硅與硅和砷化鎵等材料性能的比較[1012]。表11半導體性能比較性能SiGaAsβ SiC4H SiC6H SiCGaNAlNdiamond點陣系數197。a0=C0=a0=C0=膨脹系數（106℃1）密度（g cm3）熔點（℃）1420283028304000帶寬（eV）飽和電子速率（107s1）()?載流子遷移率（cm2/）電子15008500100011406001250?2200空穴600400505040850?1600擊穿電場（105V/cm）362030(22)2410?100介電常數9電阻率（）100015010111012101010131013熱導率（Wcm1K1）（）22吸收邊（μm）折射率硬度 Kg mm2100060039802130C0120010000在寬帶隙的半導體研究中，碳化硅尤其受到人們的青睞。這是由于碳化硅的物理化學性能相當優(yōu)異,如表11所示。與硅相比，碳化硅具有更寬的禁帶寬度(是硅的2倍) ；更高的擊穿電場(為硅的7到10倍)；高的熱導率(是硅的3倍以上)和高的電子飽和速率(是硅的2倍以上)。這些特性使它可望用于紫外傳感器以及高溫、高頻、大功率電子器件，盡管它的載流子遷移率略低。此外，它的化學惰性以及抗輻射性能對于工作在惡劣環(huán)境下的電子器件和傳感器來說也頗具吸引力。與金剛石相比，它的優(yōu)點是熱力學穩(wěn)定性、可作p型或n型摻雜，并且表面可生成自然氧化物，這一點對于器件工藝有相當重要的作用。我們知道氧化物在單晶硅器件制備中起了相當大的作用，如隔離、柵氧化物以及注入擴散等工藝中的自對準掩膜等，在碳化硅器件工藝中氧化物也可以起類似的作用。因此，可以說基于碳化硅的電子器件有著非常好的應用前景。 低維SiC材料合成以及其光學和電學特性的研究進展 納米碳化硅薄膜的制備進展雖然人們很早就發(fā)現了SiC材料的獨特性質，但直到90年代，伴隨著硅基發(fā)光材料研究的不斷深化和納米科學技術的日益發(fā)展，SiC半導體材料才開始向低維方向開拓并得以飛速發(fā)展，許多不同納米量級SiC材料的制備方法不斷涌現出來，如：球磨法、C+注入法、自組織生長法、激光燒蝕沉積技術和化學氣相沉積技術等[13][