【正文】 界面勢壘的高度和寬度降低，表現(xiàn)為薄膜的光致發(fā)光強度隨摻雜比例增加而提高一個數(shù)量級。從上面的圖中可見反向電流表現(xiàn)出了強烈的溫度依賴關(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，較高的溫度下對應(yīng)二極管上對應(yīng)較高電壓降，這種現(xiàn)象被稱為“inversion”，形成反型點的電壓降為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解釋這種現(xiàn)象。電流輸運機制既可以存在同質(zhì)結(jié)那樣的擴散電流，也可能存在像肖特基勢壘中的熱發(fā)射電流，還可以產(chǎn)生和界面態(tài)相聯(lián)系的產(chǎn)生復合電流和隧穿電流。從圖中可見未摻雜的納米碳化硅和硅所形成的異質(zhì)結(jié)沒有表現(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電導的理論公式我們對這段線性區(qū)進行了擬合。但當溫度低于（圖a 300 K，圖b 200K）時實驗值與擴展態(tài)電導的理論值發(fā)生了明顯偏離, 這說明納米碳化硅硅薄膜在較低的溫度下存在其他的輸運機制。在費米能級附近約kT 的能量范圍內(nèi)，電子有相當?shù)能S遷幾率。溫度較高時，電子可以吸收足夠的能量由費米能級EF躍遷到遷移率邊EC以上的能量狀態(tài)形成擴展態(tài)電導，即通過擴展態(tài)電子的輸運通道?？梢钥闯鰮诫s以后薄膜的電導率相對于未摻雜的薄膜明顯上升，導電能力顯著增強。因此，其IV特性是線性關(guān)系。況且用夾心結(jié)構(gòu)的樣品無法進行熱電勢、霍耳效應(yīng)等測試工作。并且納米粒子的表面態(tài)的有序性的增加也會減小表面態(tài)的能級寬度，因此也可以減少非輻射復合中心的密度，從而增加發(fā)光的強度，減小發(fā)光峰的寬度。因此, SiC不僅可以發(fā)出藍、紫色光, 而且它的發(fā)光譜可以擴展到綠色和黃色。較低摻雜比例時薄膜的光學帶隙的減小主要是由于P摻雜引起的缺陷導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[44]。對比圖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散射峰的強度增加，該結(jié)果說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度和半寬度變化不大，隨著摻雜比例的提高，此吸收帶強度和半寬度都有一微小增加，通過這一峰的擬合我們可以計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。因為光電應(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?，三個樣品的發(fā)光均具有較寬的譜峰寬度，峰值波長對應(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發(fā)光的特性，樣品所呈現(xiàn)的強發(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譜峰位置長波長方向移動結(jié)果合理一致，同時較小納米粒子的減少及納米粒子的平均尺寸增加與PL譜的強度逐漸減弱的結(jié)果對應(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和鍵角分布，對應(yīng)晶態(tài)粒子的吸收，而較寬的高斯線型對應(yīng)于非晶態(tài)成分的較大鍵長和鍵角畸變。 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的沉積條件樣品號襯底溫度(℃)外加磁場(gauss)射頻功率（W）沉積氣壓（Pa）沉積時間（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給出了通過改變H2的流量來得到不同的氫氣稀釋比例下的納米碳化硅薄膜的實驗條件。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。螺旋測微儀的分辨率是1μm。表面電壓的變同時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]。本實驗中采用雙探針法測量7059玻璃上的薄膜的電阻，薄膜電阻R可以通過探針兩端的電壓U和流過樣品的漏電流I之比得到，即 （）最終得到電阻率的表達式： （） 對于碳化硅/硅異質(zhì)結(jié)的IV特性測量，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。同時實踐還證明，當正向電壓較小時，外電場力不足以有效克服pn結(jié)內(nèi)電場力對多子擴散造成的阻力，只有正向電壓增大到一定值時，才有明顯的電流流過。摻雜碳化硅的電導率σ正比于自由載流子濃度 NC。光致發(fā)光激發(fā)譜（PLE）是當激發(fā)光波長掃描時測量發(fā)光的發(fā)射強度。光致發(fā)光光譜是研究半導體材料物理性質(zhì)的有力工具。二次電子信號被探測器收集轉(zhuǎn)換成電訊號，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。它可以直接用于對電介質(zhì)、金屬和半導體表面形貌的研究，且對觀察微小固體外觀更有效。對于非晶態(tài)固體，由于原子在空間的無規(guī)則排列，X射線衍射無特征衍射峰。對于本文實驗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 實驗原理及技術(shù)第2章 實驗原理及技術(shù)本章簡單介紹薄膜的制備方法和納米碳化硅薄膜的光學和電學特性的檢測和分析的各種手段的實驗原理和實驗方法。（3）、研究摻雜納米碳化硅的電學特性和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，對于ncSiC/Si的異質(zhì)結(jié)二極管的研究還很少。S. Kerdiles等對低溫生長的n型納米碳化硅/p型硅異質(zhì)結(jié)進行了研究，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)生一相對較強、(430nm)的藍光發(fā)射帶[24]。隨著納米科學的發(fā)展，硅基發(fā)光材料正向納米方向開拓。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。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(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能夠工作在77K以上的硅基光源和光探測器。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 實驗原理及技術(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(zhì)結(jié)的IV特性…………………………………………37 ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的電輸運特性…………………………………………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)的時間分辨光電壓特性……………………………………46 本章小結(jié)…………………………………………………………………………49結(jié)束語………………………………………………………………………………………51參考文獻……………………………………………………………………………………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，帶動了半導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族半導體發(fā)光器件〕。然而在當今半導體產(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(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呈無色。表11半導體性能比較性能SiGaAsβ SiC4H SiC6H SiCGaNAlNdiamond點陣系數(shù)197。因此，可以說基于碳化硅的電子器件有著非常好的應(yīng)用前景。然而，對于光電集成和全色顯示所需藍光發(fā)射的實現(xiàn)相當困難。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對應(yīng)的整流比為104，并且通過測量IV隨溫度的變化研究了其導電機制：較低的正偏壓下，電流隨電壓指數(shù)增加，導電過程主要受產(chǎn)生復合過程控制，而較高的正偏壓下串連阻抗效應(yīng)逐漸明顯，此時主要是被Poole–Frenke效應(yīng)放大的熱發(fā)射過程[30]。因此很有必要對納米SiC的更短波長的光發(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)二極管的電學和光電性能做進一步的研究。測量了不同的摻雜比例下所得到的納米碳化硅薄膜的電導率，分析了電導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化學氣相沉積技術(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)分子振動的分子光譜，反映分子振動的能級變化及分子內(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，可以得到無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的近鄰關(guān)系和檢驗無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)的有序程度。AFM可以彌補SEM僅能觀察金屬和半導體的不足，但它對樣品的表面光滑度卻有較高要求，這一點使其使用受限。 薄膜的光學特性表征技術(shù) 紫外－可見光透射譜(UVVis Transmission)任何材料對光都或多或少地反射和透射，即使對同一種材料，不同波段光的反射和透射特性也不同，當一束光由空氣入射到薄膜上，透過第一個界面，穿過薄膜，再透過第二個界面，在另一方向透射出來，光在薄膜中的振幅發(fā)生衰減（吸收），位相也要發(fā)生變化，同時光在第一和第二界面都會被反射。研究半導體材料的發(fā)光特性可以得到有關(guān)帶隙態(tài)和載流子復合機制的信息。它與PL譜不同的是，激發(fā)譜記錄的是一個選定的某發(fā)射波長的強度隨激發(fā)光波長的變化，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傳統(tǒng)方法。自由載流子濃度與摻雜濃度密切相關(guān)。對于pn結(jié)