【正文】 界面勢(shì)壘的高度和寬度降低，表現(xiàn)為薄膜的光致發(fā)光強(qiáng)度隨摻雜比例增加而提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。從上面的圖中可見(jiàn)反向電流表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的溫度依賴關(guān)系，圖446給出了不同偏壓下反向電流的溫度依賴關(guān)系。同樣的電流下，較高的溫度下對(duì)應(yīng)二極管上對(duì)應(yīng)較高電壓降，這種現(xiàn)象被稱為“inversion”，形成反型點(diǎn)的電壓降為5V，這種反型現(xiàn)象在硅和碳化硅的同質(zhì)結(jié)二極管中都曾經(jīng)被觀察到[54],并且電子空穴的散射模型來(lái)解釋這種現(xiàn)象。電流輸運(yùn)機(jī)制既可以存在同質(zhì)結(jié)那樣的擴(kuò)散電流，也可能存在像肖特基勢(shì)壘中的熱發(fā)射電流，還可以產(chǎn)生和界面態(tài)相聯(lián)系的產(chǎn)生復(fù)合電流和隧穿電流。從圖中可見(jiàn)未摻雜的納米碳化硅和硅所形成的異質(zhì)結(jié)沒(méi)有表現(xiàn)出整流特性，而隨著薄膜摻雜比例的增高，納米SiC薄膜中的載流子濃度增加，pn結(jié)的整流特性逐漸明顯。根據(jù)上面的Hopping電導(dǎo)的理論公式我們對(duì)這段線性區(qū)進(jìn)行了擬合。但當(dāng)溫度低于（圖a 300 K，圖b 200K）時(shí)實(shí)驗(yàn)值與擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)的理論值發(fā)生了明顯偏離, 這說(shuō)明納米碳化硅硅薄膜在較低的溫度下存在其他的輸運(yùn)機(jī)制。在費(fèi)米能級(jí)附近約kT 的能量范圍內(nèi)，電子有相當(dāng)?shù)能S遷幾率。溫度較高時(shí)，電子可以吸收足夠的能量由費(fèi)米能級(jí)EF躍遷到遷移率邊EC以上的能量狀態(tài)形成擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)，即通過(guò)擴(kuò)展態(tài)電子的輸運(yùn)通道。可以看出摻雜以后薄膜的電導(dǎo)率相對(duì)于未摻雜的薄膜明顯上升，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。因此，其IV特性是線性關(guān)系。況且用夾心結(jié)構(gòu)的樣品無(wú)法進(jìn)行熱電勢(shì)、霍耳效應(yīng)等測(cè)試工作。并且納米粒子的表面態(tài)的有序性的增加也會(huì)減小表面態(tài)的能級(jí)寬度，因此也可以減少非輻射復(fù)合中心的密度，從而增加發(fā)光的強(qiáng)度，減小發(fā)光峰的寬度。因此, SiC不僅可以發(fā)出藍(lán)、紫色光, 而且它的發(fā)光譜可以擴(kuò)展到綠色和黃色。較低摻雜比例時(shí)薄膜的光學(xué)帶隙的減小主要是由于P摻雜引起的缺陷導(dǎo)致了薄膜的吸收邊的展寬[43]，并且?guī)吨挟a(chǎn)生新的缺陷能級(jí)[44]。對(duì)比圖412中（a）和（b）結(jié)果可以看出低摻雜比例的納米SiC和未摻雜薄膜相比SiC散射峰的強(qiáng)度增加，該結(jié)果說(shuō)明摻雜使薄膜的晶化度提高。與紅外光譜相比拉曼光譜受薄膜厚度、襯底等因素的影響較小。圖441顯示了不同摻磷比例的SiC薄膜的紅外透射譜，圖中的主要特征顯示了與SiC吸收相關(guān)的帶，尤其是在800 cm1附近的吸收帶，不同摻雜條件下這一吸收帶的強(qiáng)度和半寬度變化不大，隨著摻雜比例的提高，此吸收帶強(qiáng)度和半寬度都有一微小增加，通過(guò)這一峰的擬合我們可以計(jì)算薄膜中納米碳化硅的晶化度約為60％，并且我們發(fā)現(xiàn)薄膜的晶化度隨摻雜比例的增加而提高。因?yàn)楣怆姂?yīng)用通常都要求器件和電路之間有較小的接觸電阻，本征的SiC薄膜本身并不能用于發(fā)光和光電器件，摻雜是SiC走向器件不可缺少的一道工藝?？梢钥闯?，三個(gè)樣品的發(fā)光均具有較寬的譜峰寬度，峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)能量均大于6HSiC的體帶隙能量，因此，考慮到晶態(tài)SiC在室溫下不具有可見(jiàn)發(fā)光的特性，樣品所呈現(xiàn)的強(qiáng)發(fā)光特性應(yīng)和納米晶粒的量子限域效應(yīng)緊密相關(guān)，SEM結(jié)果所呈現(xiàn)的納米粒子尺寸的增加與樣品PL譜峰位置長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)結(jié)果合理一致，同時(shí)較小納米粒子的減少及納米粒子的平均尺寸增加與PL譜的強(qiáng)度逐漸減弱的結(jié)果對(duì)應(yīng)。 176。一般的，較窄的洛侖茲紅外吸收反映了薄膜中較小的鍵長(zhǎng)和鍵角分布，對(duì)應(yīng)晶態(tài)粒子的吸收，而較寬的高斯線型對(duì)應(yīng)于非晶態(tài)成分的較大鍵長(zhǎng)和鍵角畸變。 不同氫氣條件下納米碳化硅薄膜的結(jié)構(gòu)特性表31不同氫氣流量變化時(shí)的沉積條件樣品號(hào)襯底溫度(℃)外加磁場(chǎng)(gauss)射頻功率（W）沉積氣壓（Pa）沉積時(shí)間（min）SiH4流率（sccm）CH4流率（下部饋入）（sccm）H2流率（sccm）1500200800120602803100圖311不同氫氣流量下的紅外吸收譜（a）60（b）80（c）100 Sccm表31給出了通過(guò)改變H2的流量來(lái)得到不同的氫氣稀釋比例下的納米碳化硅薄膜的實(shí)驗(yàn)條件。但由于其間接帶隙特性，利用外延等技術(shù)所制備SiC發(fā)光器件發(fā)光效率極低。螺旋測(cè)微儀的分辨率是1μm。表面電壓的變同時(shí)化還決定于表面和界面空間電荷層的能帶彎曲的變化決定，其不僅敏感于表面而且敏感于材料的界面[34]。本實(shí)驗(yàn)中采用雙探針?lè)y(cè)量7059玻璃上的薄膜的電阻，薄膜電阻R可以通過(guò)探針兩端的電壓U和流過(guò)樣品的漏電流I之比得到，即 （）最終得到電阻率的表達(dá)式： （） 對(duì)于碳化硅/硅異質(zhì)結(jié)的IV特性測(cè)量，分別在在樣品的正反兩面接電極，加上不同的方向和大小的偏壓，記錄不同偏壓下電流的變化即可得到。同時(shí)實(shí)踐還證明，當(dāng)正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)力不足以有效克服pn結(jié)內(nèi)電場(chǎng)力對(duì)多子擴(kuò)散造成的阻力，只有正向電壓增大到一定值時(shí)，才有明顯的電流流過(guò)。摻雜碳化硅的電導(dǎo)率σ正比于自由載流子濃度 NC。光致發(fā)光激發(fā)譜（PLE）是當(dāng)激發(fā)光波長(zhǎng)掃描時(shí)測(cè)量發(fā)光的發(fā)射強(qiáng)度。光致發(fā)光光譜是研究半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)的有力工具。二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。它可以直接用于對(duì)電介質(zhì)、金屬和半導(dǎo)體表面形貌的研究，且對(duì)觀察微小固體外觀更有效。對(duì)于非晶態(tài)固體，由于原子在空間的無(wú)規(guī)則排列，X射線衍射無(wú)特征衍射峰。對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)我們做了如下的表征：掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、傅里葉變換紅外吸收譜、X射線的衍射分析等。 7 第2章 實(shí)驗(yàn)原理及技術(shù)第2章 實(shí)驗(yàn)原理及技術(shù)本章簡(jiǎn)單介紹薄膜的制備方法和納米碳化硅薄膜的光學(xué)和電學(xué)特性的檢測(cè)和分析的各種手段的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法。（3）、研究摻雜納米碳化硅的電學(xué)特性和SiC/Si異質(zhì)結(jié)的整流特性。目前商業(yè)化的SiC器件還主要是基于SiC同質(zhì)結(jié)的器件，對(duì)于ncSiC/Si的異質(zhì)結(jié)二極管的研究還很少。S. Kerdiles等對(duì)低溫生長(zhǎng)的n型納米碳化硅/p型硅異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這種異質(zhì)結(jié)在室溫具有較好的電學(xué)特性，177。SiC材料常用n型摻雜劑為N(N2 ,NH3)或P(PH3),p型摻雜劑為Al或者B。產(chǎn)生一相對(duì)較強(qiáng)、(430nm)的藍(lán)光發(fā)射帶[24]。隨著納米科學(xué)的發(fā)展，硅基發(fā)光材料正向納米方向開(kāi)拓。我們知道氧化物在單晶硅器件制備中起了相當(dāng)大的作用，如隔離、柵氧化物以及注入擴(kuò)散等工藝中的自對(duì)準(zhǔn)掩膜等，在碳化硅器件工藝中氧化物也可以起類似的作用。表11碳化硅與硅和砷化鎵等材料性能的比較[1012]。例如，不同的結(jié)晶狀態(tài)具有不同的帶隙寬度， eV, eV。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。根據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，到2010年半導(dǎo)體器件的尺寸將達(dá)到100納米，這正好是納米結(jié)構(gòu)器件的最大尺度。異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和器件的研究為大幅度提高器件和電路性能開(kāi)辟了一條新的道路，并已成為“能帶工程”的重要內(nèi)容。前兩種應(yīng)用的前提是需要一個(gè)能夠工作在77K以上的硅基光源和光探測(cè)器。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(jié)構(gòu)和性質(zhì)…………………………………………………………3……………………………5…………………………………………………5……………………………………………6…………………………7…………………………………………………8第2章 實(shí)驗(yàn)原理及技術(shù)………………………………………………………………10 樣品的制備…………………………………………………………………………10 薄膜的形貌和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)………………………………………………………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(jiàn)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(shù)……………………………………………………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(xué)和電學(xué)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(zhì)結(jié)的IV特性…………………………………………37 ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的電輸運(yùn)特性…………………………………………38………………………………………………………………………………41第5章 納米碳化硅/硅異質(zhì)結(jié)的光電壓特性……………………………………………42…………………………………………………42 ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的表面光電壓特性………………………………………………43 SiC在異質(zhì)結(jié)中的窗口效應(yīng)………………………………………………43…………………………44 ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的時(shí)間分辨光電壓特性……………………………………46 本章小結(jié)…………………………………………………………………………49結(jié)束語(yǔ)………………………………………………………………………………………51參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………54致謝……………………………………………………………………………………58I第1章 緒論第1章 緒論現(xiàn)代微電子、光電子技術(shù)的高速發(fā)展，帶動(dòng)了半導(dǎo)體材料及其新型器件的發(fā)展。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(dǎo)體發(fā)光器件〕。然而在當(dāng)今半導(dǎo)體產(chǎn)品中異質(zhì)結(jié)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(dǎo)地位的半導(dǎo)體材料—硅不能與其它化合物半導(dǎo)體兼容；GaAs等化合物半導(dǎo)體材料不僅熱耗大、成本高，而且目前制備位錯(cuò)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(yīng)用和發(fā)展。由于量子效應(yīng)，微電子器件的極限線寬一般認(rèn)為是70納米?？耸嫌捕葹? X 103kg/mm2，楊氏彈性模量為4 X 104kg/mm2。由于帶隙寬度的不同，它們呈現(xiàn)出不同的體色，βSiC透射和反射黃色，6HSiC呈無(wú)色。表11半導(dǎo)體性能比較性能SiGaAsβ SiC4H SiC6H SiCGaNAlNdiamond點(diǎn)陣系數(shù)197。因此，可以說(shuō)基于碳化硅的電子器件有著非常好的應(yīng)用前景。然而，對(duì)于光電集成和全色顯示所需藍(lán)光發(fā)射的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。王玉霞等[25]采用脈沖ArF激光燒蝕陶瓷SiC靶，在800℃ Si(111)襯底上淀積SiC膜，然后經(jīng)920℃真空(103Pa)退火處理制備出晶態(tài)SiC膜。研究表明，PECVD制備的未摻雜的aSiC:。2V對(duì)應(yīng)的整流比為104，并且通過(guò)測(cè)量IV隨溫度的變化研究了其導(dǎo)電機(jī)制：較低的正偏壓下，電流隨電壓指數(shù)增加，導(dǎo)電過(guò)程主要受產(chǎn)生復(fù)合過(guò)程控制，而較高的正偏壓下串連阻抗效應(yīng)逐漸明顯，此時(shí)主要是被Poole–Frenke效應(yīng)放大的熱發(fā)射過(guò)程[30]。因此很有必要對(duì)納米SiC的更短波長(zhǎng)的光發(fā)射，更有效的納米碳化硅摻雜和摻雜納米SiC薄膜及ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)二極管的電學(xué)和光電性能做進(jìn)一步的研究。測(cè)量了不同的摻雜比例下所得到的納米碳化硅薄膜的電導(dǎo)率，分析了電導(dǎo)率隨摻雜比例的變化規(guī)律。樣品采用了螺旋波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)（HWPPECVD）制備，制備薄膜的裝置是一套由螺旋波等離子體產(chǎn)生室和薄膜沉積反應(yīng)室組成的高真空系統(tǒng)[31][32]。（FTIR）紅外光譜為物質(zhì)分子振動(dòng)的分子光譜，反映分子振動(dòng)的能級(jí)變化及分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。但由于短程有序的存在，利用小角X射線散射，可以得到無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的近鄰關(guān)系和檢驗(yàn)無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)的有序程度。AFM可以彌補(bǔ)SEM僅能觀察金屬和半導(dǎo)體的不足，但它對(duì)樣品的表面光滑度卻有較高要求，這一點(diǎn)使其使用受限。 薄膜的光學(xué)特性表征技術(shù) 紫外－可見(jiàn)光透射譜(UVVis Transmission)任何材料對(duì)光都或多或少地反射和透射，即使對(duì)同一種材料，不同波段光的反射和透射特性也不同，當(dāng)一束光由空氣入射到薄膜上，透過(guò)第一個(gè)界面，穿過(guò)薄膜，再透過(guò)第二個(gè)界面，在另一方向透射出來(lái)，光在薄膜中的振幅發(fā)生衰減（吸收），位相也要發(fā)生變化，同時(shí)光在第一和第二界面都會(huì)被反射。研究半導(dǎo)體材料的發(fā)光特性可以得到有關(guān)帶隙態(tài)和載流子復(fù)合機(jī)制的信息。它與PL譜不同的是，激發(fā)譜記錄的是一個(gè)選定的某發(fā)射波長(zhǎng)的強(qiáng)度隨激發(fā)光波長(zhǎng)的變化，這是用以獲得關(guān)于雜質(zhì)缺陷中心吸收和主晶格的基本吸收的一個(gè)傳統(tǒng)方法。自由載流子濃度與摻雜濃度密切相關(guān)。對(duì)于pn結(jié)