【正文】 光譜的譜峰分別位于362nm、368nm和372nm。 本章小結(jié)通過以上結(jié)構(gòu)和發(fā)光分析表明，通過改變不同的氫氣流量可以有效控制納米SiC的晶型結(jié)構(gòu)。在室溫下,價(jià)帶中的電子無法通過熱激發(fā)而越過較寬的禁帶,只要外加電場(chǎng)不是特別強(qiáng),理論上應(yīng)該沒有可以自由移動(dòng)的載流子存在,因此表現(xiàn)為電的絕緣體（）。摻雜氣體的選擇也有好多種，不同的摻雜氣體的摻雜效果也各不相同，P和N都是SiC進(jìn)行n型摻雜的可選雜質(zhì)，研究表明P摻雜可以達(dá)到比N摻雜更高的飽和自由載流子濃度[36]。 不同比例摻雜的紅外譜分析圖411不同P摻雜ncSiC薄膜的紅外譜 為了分析薄膜中的鍵合構(gòu)型，本實(shí)驗(yàn)中我們采用BioRad 60V 型傅里葉變換紅外透射光譜儀對(duì)所沉積的樣品進(jìn)行了紅外透射測(cè)量，波數(shù)范圍為4004000cm1，分辨率為4 cm1。在大約2100 cm1處的帶與SiHn（n＝1，2，或3）鍵伸縮模式相關(guān)，我們注意到此峰隨摻雜比例的增加略微向高波數(shù)方向移動(dòng)，此移動(dòng)一般是由于C含量的變化引起的，對(duì)于非晶碳化硅中此模式一般處于2000 cm1，而在SiC中一般移動(dòng)到2100 cm1，這種移動(dòng)是因?yàn)橹車腃環(huán)境引起的[37]，如果更高比例的C存在，將使此模式向更高的波數(shù)移動(dòng)，此處的微小移動(dòng)可能因于薄膜中C含量的微小增加。拉曼光譜是由那些不引起分子偶極矩改變的振動(dòng)，即紅外非活性的振動(dòng)的信息。470 cm1左右強(qiáng)的Raman 帶主要來自于非晶硅散射,此外,非晶SiC聲學(xué)模也可能對(duì)它有貢獻(xiàn)[40]；1350cm 1處寬峰來源于非晶態(tài)類石墨CC 團(tuán)簇散射，對(duì)高于1％摻雜樣品此散射強(qiáng)度較弱，可見其中的雜質(zhì)C含量較小，該結(jié)果可以解釋為低摻雜比例條件下P主要替換SiC中的Si原子，因此P摻雜的增加主要導(dǎo)致薄膜中C的相對(duì)含量減少。由圖中可以看出相對(duì)于塊狀晶態(tài)SiC Raman 峰這兩個(gè)譜峰均發(fā)生了非對(duì)稱性展寬和紅移,該結(jié)果可歸因于薄膜中的較小SiC晶粒的量子限制效應(yīng)。從圖中可以看出適當(dāng)?shù)膿诫s可以增加薄膜的吸收，其吸收曲線向低能方向移動(dòng)。圖421 不同摻雜比例的光吸收特性圖422薄膜的光學(xué)帶隙隨摻雜比例(PH3/SiH4)的變化圖422中給出了通過這種方法得到的薄膜的光學(xué)帶隙隨摻雜比例的變化，較低的摻雜比例時(shí)薄膜的帶隙隨摻雜比例的增加而減小，而較高的摻雜比例下薄膜的光學(xué)帶隙又迅速增加。光吸收隨摻雜比例的變化反映了P的摻雜機(jī)制。 摻雜納米碳化硅薄膜的光致發(fā)光特性圖423 不同摻雜比例的納米SiC的光致發(fā)光SiC因?yàn)榫哂休^高的光學(xué)帶隙，是非常理想的藍(lán)、紫光發(fā)射材料，目前對(duì)SiC的研究發(fā)現(xiàn)，其中存在著多種發(fā)光機(jī)制, 包括施主－受主對(duì)(DA)復(fù)合發(fā)光、雜質(zhì)局域中心束縛激子的復(fù)合發(fā)光和自由激子復(fù)合發(fā)光。我們認(rèn)為這些發(fā)光同樣主要來源于小的6HSiC納米粒子的量子限制效應(yīng)，此時(shí)的發(fā)光機(jī)制主要是光照下納米粒子內(nèi)部產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在納米粒子的表面通過表面態(tài)復(fù)合發(fā)光。隨著薄膜的晶化度的增加，粒子之間的界面勢(shì)壘的高度和寬度降低，因此激發(fā)的電子空穴對(duì)可以更順利地到達(dá)表面局域態(tài)，通過表面態(tài)復(fù)合，減少了中間路徑中其中發(fā)生非輻射復(fù)合的幾率，增加了輻射復(fù)合的幾率[47]。電導(dǎo)測(cè)試樣品一般有平面結(jié)構(gòu)和夾心結(jié)構(gòu)兩種，襯底用絕緣體，一般為玻璃、石英或在單晶硅上熱生長(zhǎng)一層 SiO2。用夾心結(jié)構(gòu)可以減少空間電荷，但這時(shí)很難得到可靠的歐姆接觸。我們選取生長(zhǎng)在石英或者玻璃襯底上的SiC薄膜樣品，應(yīng)用真空直流濺射鍍膜法在薄膜表面濺射鎳(Ni)電極。 SiC的歐姆接觸金屬與半導(dǎo)體形成歐姆接觸是指在接觸處是一個(gè)純電阻，而且該電阻越小越好。采用Ni作為形成n型歐姆接觸材料時(shí)，能較好地滿足條件。 不同摻雜比例的SiC薄膜的電導(dǎo)率 采用第2章所述的方法我們對(duì)不同摻雜比例的薄膜電阻進(jìn)行了測(cè)量，通過公式（）得到了薄膜的電導(dǎo)率，表431給出了不同摻雜比例薄膜的電導(dǎo)率數(shù)值。表431 不同摻雜比例的薄膜的電導(dǎo)率摻雜比例(PH3/SiH4)％電阻率(Ω對(duì)于無序的非晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理和晶態(tài)半導(dǎo)體的根本區(qū)別在于除了擴(kuò)展態(tài)的電導(dǎo)以外還有局域態(tài)的電導(dǎo)，即在不同的溫度范圍，電子有不同的輸運(yùn)通道。由于費(fèi)米能級(jí)被釘扎在能隙中，其附近都是局域態(tài)，故只有在溫度較高時(shí)，才會(huì)有熱激發(fā)到遷移率邊之上的擴(kuò)展態(tài)中的電子導(dǎo)電，而在溫度較低時(shí)，局域態(tài)中的電子可以通過熱激活從一個(gè)局域態(tài)跳躍到另一個(gè)局域態(tài)。并且其中的ECEF可以用電導(dǎo)激活能Ea表示，因此上面的表達(dá)式也可以寫成： （）（2） 費(fèi)米能級(jí)附近，缺陷局域態(tài)間的近程跳躍電導(dǎo)率（缺陷態(tài)電導(dǎo)）無序的半導(dǎo)體的 EF處在缺陷態(tài)之中，電子跳躍只能在最近鄰的空間內(nèi)發(fā)生?？梢婋妼?dǎo)曲線分為兩個(gè)不同的線性區(qū)域。通過對(duì)lnσ1000/T的斜率的擬合，為典型的n型半導(dǎo)體，并且隨摻雜比例的增高費(fèi)米能級(jí)向?qū)б苿?dòng)。這說明,在低溫下納米碳化硅帶隙中定域態(tài)之間的Hopping電導(dǎo)有可能成為電輸運(yùn)的主要機(jī)制。低溫下納米碳化硅薄膜的電輸運(yùn)可能轉(zhuǎn)變成費(fèi)米能級(jí)附近定域態(tài)之間的Hopping電導(dǎo)。 摻雜納米碳化硅/硅異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性 碳化硅和單晶硅的有機(jī)結(jié)合（SiC/Si異質(zhì)結(jié)）開辟了硅基器件的一個(gè)新領(lǐng)域，為了對(duì)摻雜的納米碳化硅薄膜的電學(xué)特性進(jìn)行進(jìn)一步的表征，我們測(cè)量了p型硅襯底（111圖442給出了不同摻雜比例的n型納米碳化硅薄膜和p型單晶硅襯底形成的pn結(jié)的IV特性曲線。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，在較小正偏壓(0V2V)的低電流區(qū)域，電流與電壓的依賴關(guān)系滿足指數(shù)關(guān)系I=I0exp(qV/nkT),通過對(duì)低電流區(qū)域的擬合,，表明正向電流主要是ncSiC/Si界面缺陷的復(fù)合電流起主要作用[51][52],并且可見對(duì)于這種二極管的正向開啟電壓約為5V。pSinSiC圖443 np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)平衡時(shí)的能帶圖 ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的電輸運(yùn)特性圖444 np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)不同溫度的IV曲線 異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)制比同質(zhì)結(jié)要復(fù)雜得多，不僅僅是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)的勢(shì)壘中往往存在尖峰，而且因?yàn)榇嬖跀?shù)量較多的界面態(tài)。較低的正偏壓下顯示logIV有較大的斜率，而較高的正偏壓下此斜率減小。而較小的正偏壓下發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律發(fā)生了相反的變化。在一定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出了這種反型效應(yīng)，主要是因?yàn)榇藴囟确秶鷥?nèi)摻雜劑處于完全離子化狀態(tài)。圖445 室溫下np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)IV曲線與低溫下的對(duì)比圖446 不同偏壓下反向電流的溫度依賴關(guān)系當(dāng)pn結(jié)處于反向偏壓時(shí)，在p區(qū)n區(qū)分別處于形成耗盡的狀態(tài)，此時(shí)pn上的電壓降很大，但是導(dǎo)通電流卻很小。因此表明此時(shí)的傳導(dǎo)機(jī)制主要是通過界面的缺陷態(tài)的多步隧穿過程[55]。并且隨著摻雜比例的提高薄膜的晶化度提高。通過對(duì)電導(dǎo)。（2） 摻雜的納米SiC薄膜的電導(dǎo)率在摻雜比例為1％時(shí)，得到最大值接近102 S 本章小結(jié) （1） 我們通過改變摻雜劑氣體和源氣體的比例得到了不同的摻雜和結(jié)構(gòu)的納米碳化硅薄膜?？梢娫诎雽?duì)數(shù)坐標(biāo)下，不同偏壓下均表現(xiàn)為和溫度的指數(shù)依賴關(guān)系。但是這種效應(yīng)往往會(huì)在更高的溫度消失，因?yàn)檩^高的溫度下本征激發(fā)的載流子濃度明顯增加，可以和其中的受主濃度相比，此時(shí)本征激發(fā)的載流子起主導(dǎo)作用，電阻率隨溫度的增加會(huì)降低。這種模型提出對(duì)于一定的電流I，通過異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)的所有電壓降可以用下面的公式來表示：（）其中KB和T分別為玻耳茲曼常數(shù)和絕對(duì)溫度，I0為正比于異質(zhì)結(jié)的飽和電流的常數(shù)。較高的偏壓下我們發(fā)現(xiàn)logIV的斜率隨溫度變化有比較明顯的依賴關(guān)系，隨著溫度的變化此斜率減小，結(jié)合擴(kuò)散和發(fā)射電流的特征，我們發(fā)現(xiàn)此時(shí)的電流特征非常符合此模型，此時(shí)擴(kuò)散和發(fā)射電流分別在不同的偏壓下起主導(dǎo)作用，當(dāng)p區(qū)的導(dǎo)帶底低于n區(qū)的尖峰時(shí)擴(kuò)散電流起主導(dǎo)作用，隨著外加偏壓的增大，p區(qū)的導(dǎo)帶底低于n區(qū)的尖峰一定值時(shí)發(fā)射電流將起主導(dǎo)作用。為了了解ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)制，我們測(cè)量了低溫下的IV特性，圖444給了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的電流電壓在低溫下的關(guān)系曲線，從圖中可見，異質(zhì)結(jié)二極管在低溫下也表現(xiàn)出了比較明顯的整流特性，漏電流表現(xiàn)出比較明顯的溫度依賴關(guān)系。由于SiC和Si具有不同的能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度，所以當(dāng)n型的SiC和p型的硅襯底接觸時(shí)，在兩者的界面將形成由nSiC指向pSi通過兩者界面的電場(chǎng)，對(duì)于n型SiC和p型硅襯底形成的異質(zhì)結(jié)一般為突變異質(zhì)結(jié)，兩者的過渡很快僅僅發(fā)生在幾個(gè)原子的距離之內(nèi)。從正反方向電流的比值(177。圖441給出了ncSiC/Si構(gòu)成的pn結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。由此可見對(duì)于摻雜的納米碳化硅主要存在兩種不同的導(dǎo)電機(jī)制，在高溫段納米碳化硅的輸運(yùn)機(jī)制是以擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)，即異質(zhì)結(jié)的單電子隧穿模型所描述的熱輔助的晶粒間電子隧穿為主；而低溫段電導(dǎo)主要由納米碳化硅帶隙中費(fèi)米能級(jí)附近定域態(tài)之間Hopping傳導(dǎo)決定。此外,納米碳化硅晶粒所具有的大量的表面,以及碳化硅晶粒中的應(yīng)力和晶粒內(nèi)部的各種缺陷都會(huì)在納米碳化硅帶隙中產(chǎn)生定域態(tài)。較低的溫度下ln(σ)與1/T呈很好的線性關(guān)系,即在低溫段納米碳化硅的電導(dǎo)呈現(xiàn)單一激活能W,并且與kT 值相當(dāng)。因此，此時(shí)的導(dǎo)電過程為擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)，更具體的應(yīng)表述為熱輔助的納米粒子之間的單電子隧穿過程[49]。這時(shí)電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系可表示為： （）式中 W為費(fèi)米能級(jí)附近電子跳躍所需的平均激活能。（1） 擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)電導(dǎo)率的公式為： （）對(duì)擴(kuò)展態(tài)，式中μ是擴(kuò)展態(tài)電子的遷移率，n 是擴(kuò)展態(tài)電子濃度，k為玻耳茲曼常數(shù)。在低溫下，電子只能從 EF以下的能量狀態(tài)通過聲子的幫助躍遷到 EF以上的近鄰空態(tài)，形成局域態(tài)的近程跳躍電導(dǎo)，即電流通道僅限于距 EF幾個(gè)kT的局域態(tài)附近。cm10106106696113251224560對(duì)于晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理主要是擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)，在我們的樣品中由于納米粒子的邊界和許多較小的納米粒子的存在，因此存在無序結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同摻雜比例的薄膜電導(dǎo)率的差別并不很大，基本在同一數(shù)量級(jí)，但是也有些區(qū)別電導(dǎo)率隨摻雜比例的增加先增加后減小，以上結(jié)果可由薄膜的紅外譜分析結(jié)果進(jìn)行分析。圖432 樣品不同偏壓下表現(xiàn)出線性的IV特性 圖432給出了使用Ni電極和SiC接觸后，不同偏壓下測(cè)量的漏電流。歐姆接觸質(zhì)量的好壞、接觸電阻的大小直接影響器件的性能指標(biāo)，是高溫、大功率和高頻半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵工藝。電極制作完成后，通過HP100電學(xué)參量測(cè)試儀在直流偏壓5V下，測(cè)量薄膜的漏電流，通過電壓和電流的比值得到薄膜的電阻R。因此，進(jìn)行碳化硅電導(dǎo)測(cè)試時(shí)務(wù)必十分小心，才能得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。樣品表面上的吸附物以及在襯底界面上的俘獲電荷都會(huì)產(chǎn)生空間電荷層，可能會(huì)嚴(yán)重地影響傳導(dǎo)過程。Lb圖431 電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖 本征的納米SiC的電導(dǎo)率很低，約為1012(Ω對(duì)紅外譜的擬合可以比較不同摻雜比例的樣品的晶化度，以上三個(gè)樣品的晶化度分別為55％，60％和65％。實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)不同摻雜比例的納米碳化硅薄膜的光致發(fā)光特性進(jìn)行了測(cè)量。并且形成Psi的幾率比形成PC要大，因此再進(jìn)行低比例的摻雜時(shí)主要是形成Psi，此時(shí)形成的缺陷能級(jí)造成帶尾的展寬，同時(shí)被替換的硅在薄膜中游離存在使薄膜表現(xiàn)為富硅。較低的摻雜比例時(shí)，薄膜的光學(xué)帶隙的減小可主要?dú)w因于在摻雜比例較低時(shí)主要是替換SiC中的Si原子，從而薄膜中富余了較多的Si。為了給出摻雜對(duì)薄膜的光學(xué)帶隙的影響，我們使用Tauc的光學(xué)吸收模型(αE)1/2=B(EEg)分析了薄膜的光學(xué)帶隙[42]，其中α為相應(yīng)波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)，E是入射光子能量， Eg為半導(dǎo)體基本吸收區(qū)的長(zhǎng)波吸收限所對(duì)應(yīng)的光子能量，稱為Tauc光學(xué)帶隙，B是聯(lián)合光學(xué)態(tài)密度和薄膜整體結(jié)構(gòu)無序性有關(guān)的常數(shù)。 摻雜納米SiC的表面形貌(a)(b)(c)圖413摻雜比例1％的薄膜的表面形貌特征圖413給出了1％摻雜的樣品的表面形貌，從圖3（a）中可見薄膜中含有較高密度的納米顆粒，顆粒的平均尺寸為20nm左右，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)其中還存在很多尺寸更小的粒子和稍大的納米粒子，為了更清楚地確定粒子的晶型和結(jié)構(gòu)，圖3（c）給出了同條件下樣品的SEM，清晰的掃描電鏡顯示樣品中包含許多三角形的片狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)果表明納米SiC粒子為具有六角晶型的6HSiC。分別對(duì)應(yīng)于晶態(tài)6HSiC 橫向光學(xué)聲子模(TO) 和縱向光學(xué)聲子模(LO)[41]。SiC薄膜雖然也是拉曼活性，但許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[38]，采用各種不同技術(shù)所制備的SiC薄膜的拉曼光譜中，常在13001600 cm1范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)較強(qiáng)CC，和300600cm1范圍內(nèi)的SiSi峰，也有在790cm1發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)SiC(TO)橫向光學(xué)模式振動(dòng)吸收峰和970cm1發(fā)現(xiàn)SiC (LO)縱向光學(xué)振動(dòng)模式[39]。最后，在大約2800–3000 cm1處的吸收帶相應(yīng)于sp3的C–Hn鍵伸縮模式。對(duì)照單晶SiC的紅外吸收峰一般出現(xiàn)在795 cm1附近，而非晶碳化硅的紅外吸收一般出現(xiàn)在740 cm1，并且對(duì)于納米SiC由于量子限制效應(yīng)，粒子尺寸較小，通常會(huì)使此吸收峰發(fā)生藍(lán)移，可見此條件的薄膜為晶化度很高的ncSiC。實(shí)驗(yàn)中7059玻璃襯底上的樣品用于紅外、Raman和透射分析，而p型單晶硅襯底（ 111）的樣品用于SEM、AFM、發(fā)光和pn結(jié)特性的分析。在碳化硅的摻雜工藝研究歷程中出現(xiàn)了許多不同的摻雜技術(shù)：擴(kuò)散摻雜、離子注入摻雜、原位摻雜等。X射線衍射和掃描電鏡表明其中的納米粒子的平均