【正文】 具有單向?qū)щ娦?，如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場與內(nèi)電場的方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動的平衡被破壞。本實(shí)驗(yàn)中薄膜電阻率和IV特性的測量均使用了HP100電學(xué)參量分析儀的漏電流和IV特性分析功能，輸入?yún)?shù)后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可由電腦采集，給出結(jié)果。因此表面光電壓技術(shù)可以用于獲得關(guān)于半導(dǎo)體表面和界面的特性，并且這種技術(shù)和半導(dǎo)體表面無接觸，對樣品無污染。樣品盒裝置如圖242所示。近年來結(jié)合納米材料的量子限制效應(yīng)，納米SiC材料表現(xiàn)出強(qiáng)的短波發(fā)射特性，為其在光通訊、全色顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。圖311為硅(111)襯底上沉積的納米SiC的傅立葉紅外透射譜。:1,:1和2:1，說明所沉積薄膜晶態(tài)SiC成分都在50%以上，具有與納米晶硅相似的高晶化度特征.(a)(b)(c)圖312 不同氫氣流量下納米SiC薄膜的SEM形貌圖，氫氣流量分別為（a）60（b）80（c）100 sccm圖313 高氫氣條件下納米SiC的X射線衍射圖圖312給出了薄膜的硅(111)襯底上所沉積SiC薄膜的SEM形貌圖，從圖中可以看出，薄膜主要由納米尺度的顆粒組成，顆粒形貌呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)。衍射峰可分別歸為6HSiC（101）和6HSiC(102)晶面的衍射，176。對其發(fā)光機(jī)制，納米SiC結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度發(fā)光一般歸因于納米SiC晶粒表面缺陷態(tài)發(fā)光，如陽極氧化等技術(shù)所制備的多空碳化硅的發(fā)光來源關(guān)聯(lián)于SiH、CH等表面缺陷態(tài)，激光熱解化學(xué)氣相沉積納米碳化硅粉的發(fā)光和其表面的SiOX有關(guān)，因此，考慮到所沉積的薄膜中有近30%的非晶SiC成分和少量鍵合氫的存在，樣品所表現(xiàn)較寬的PL譜峰寬度可能不僅與納米6HSiC片狀粒子尺寸的不均勻有關(guān)，納米晶粒非晶及SiH、CH等表面缺陷態(tài)對薄膜發(fā)光應(yīng)該具有顯著影響。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。對照單晶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，并且對于納米SiC由于量子限制效應(yīng)，粒子尺寸較小，通常會使此吸收峰發(fā)生藍(lán)移，可見此條件的薄膜為晶化度很高的ncSiC。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)了一個較強(qiáng)CC，和300600cm1范圍內(nèi)的SiSi峰，也有在790cm1發(fā)現(xiàn)對應(yīng)SiC(TO)橫向光學(xué)模式振動吸收峰和970cm1發(fā)現(xiàn)SiC (LO)縱向光學(xué)振動模式[39]。 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。較低的摻雜比例時，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主要是替換SiC中的Si原子，從而薄膜中富余了較多的Si。實(shí)驗(yàn)中我們對不同摻雜比例的納米碳化硅薄膜的光致發(fā)光特性進(jìn)行了測量。Lb圖431 電導(dǎo)率測試結(jié)構(gòu)示意圖 本征的納米SiC的電導(dǎo)率很低，約為1012(Ω因此，進(jìn)行碳化硅電導(dǎo)測試時務(wù)必十分小心，才能得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。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。對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，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。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kT的局域態(tài)附近。這時電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系可表示為： （）式中 W為費(fèi)米能級附近電子跳躍所需的平均激活能。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)。由此可見對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)米能級附近定域態(tài)之間Hopping傳導(dǎo)決定。從正反方向電流的比值(177。為了了解ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)制，我們測量了低溫下的IV特性，圖444給了半對數(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。這種模型提出對于一定的電流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)和絕對溫度，I0為正比于異質(zhì)結(jié)的飽和電流的常數(shù)?？梢娫诎雽?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。（2） 摻雜的納米SiC薄膜的電導(dǎo)率在摻雜比例為1％時，得到最大值接近102 S并且隨著摻雜比例的提高薄膜的晶化度提高。圖445 室溫下np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)IV曲線與低溫下的對比圖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，在p區(qū)n區(qū)分別處于形成耗盡的狀態(tài)，此時pn上的電壓降很大，但是導(dǎo)通電流卻很小。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。pSinSiC圖443 np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)平衡時的能帶圖 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)的勢壘中往往存在尖峰，而且因?yàn)榇嬖跀?shù)量較多的界面態(tài)。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。低溫下納米碳化硅薄膜的電輸運(yùn)可能轉(zhuǎn)變成費(fèi)米能級附近定域態(tài)之間的Hopping電導(dǎo)。通過對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)米能級向?qū)б苿?。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。對于無序的非晶態(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。 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不同摻雜比例的薄膜電阻進(jìn)行了測量，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。 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純電阻，而且該電阻越小越好。用夾心結(jié)構(gòu)可以減少空間電荷，但這時很難得到可靠的歐姆接觸。隨著薄膜的晶化度的增加，粒子之間的界面勢壘的高度和寬度降低，因此激發(fā)的電子空穴對可以更順利地到達(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]。 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(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。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。由圖中可以看出相對于塊狀晶態(tài)SiC Raman 峰這兩個譜峰均發(fā)生了非對稱性展寬和紅移,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)。拉曼光譜是由那些不引起分子偶極矩改變的振動，即紅外非活性的振動的信息。 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所沉積的樣品進(jìn)行了紅外透射測量，波數(shù)范圍為4004000cm1，分辨率為4 cm1。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,只要外加電場不是特別強(qiáng),理論上應(yīng)該沒有可以自由移動的載流子存在,因此表現(xiàn)為電的絕緣體（）。圖321 不同氫氣條件下樣品的短波長發(fā)光 納米碳化硅的紫外發(fā)光圖321分別為采用Xe 燈280nm波長激發(fā)條件下三個樣品的光致發(fā)光譜，可以看出，所沉積的樣品在室溫條件下均呈現(xiàn)出強(qiáng)的室溫紫外發(fā)光特性，樣品發(fā)光譜的譜峰分別位于362nm、368nm和372nm。的兩個衍射峰，與不同晶型 SiC 衍射標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較， 186。為分析薄膜中晶態(tài)SiC成分，對此吸收峰進(jìn)行了高斯和洛侖茲復(fù)合線型擬合，如圖311插圖所示，可以看出，薄膜的800cm1 處的吸收峰主要由一洛侖茲線型構(gòu)成，另外有一寬的高斯線型背底和1000cm1處的肩峰存在。本章的工作主要采用螺旋波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)嘗試了具有量子限制效應(yīng)的納米SiC薄膜制備，通過X射線衍射、傅立葉紅外透射等技術(shù)對所沉積薄膜的結(jié)構(gòu)、組分進(jìn)行了表征，并采用光致發(fā)光技術(shù)對薄膜的所表現(xiàn)出的紫外發(fā)光特性進(jìn)行了初步分析。6HSiC相比則具有更寬的帶隙，利用其寬禁帶特性更適合用于短波長發(fā)光器件和光電器件，因此SiC作為光發(fā)射器件可選材料而得到人們的關(guān)注。樣品位于銅底座上，銅底座已經(jīng)被聚四氟乙烯與主體的樣品支架絕緣，導(dǎo)電玻璃安裝在一個線性可移動的螺旋測微儀上，用來調(diào)節(jié)導(dǎo)電玻璃和樣品間的距離。半導(dǎo)體得到合適能量的光子的照射以后，在吸收的光子誘導(dǎo)作用下產(chǎn)生了電子的躍遷，產(chǎn)生的電子空穴對將影響原來處于動態(tài)平衡狀態(tài)下的內(nèi)部電場，表面電勢發(fā)生變化，從而產(chǎn)生表面光電壓的變化。本實(shí)驗(yàn)中薄膜的電阻率量是根據(jù)電阻定律，導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長度成正比，與導(dǎo)體的橫截面成反比，即 （）ρ為比例常數(shù)，稱為電阻率或比電阻。從pn結(jié)的形成機(jī)理看，只有當(dāng)外加電壓（場）方向與內(nèi)建電場方向相反時，即以外力破壞原有的動態(tài)平衡，使p區(qū)和n區(qū)統(tǒng)一的費(fèi)米能級分離開來，才能有外注入電子或空穴，形成回路電流，流過pn結(jié)的電流滿足 （）其中IS主要由溫度決定的正向飽和電流，u為外加電壓，UT＝kT/q，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電子電量，常溫下UT≈26mV。反之,則可能形成P 型半導(dǎo)體。熒光逸出表面后，經(jīng)會聚進(jìn)入單色儀分光，此后經(jīng)探測器接受轉(zhuǎn)變成電訊號并進(jìn)行放大和紀(jì)錄，從而得到發(fā)光強(qiáng)度按光子能量分布的曲線，即光致發(fā)光光譜圖。 光致發(fā)光譜（PL）和熒光激發(fā)譜（PLE）采用光激發(fā)注入的方式產(chǎn)生非平衡載流子引起的發(fā)光，稱為光致發(fā)光（PL）。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射（以及其它物理信號），二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。原子力顯微鏡能夠測量數(shù)量級為10131014N的力，它的縱向分辨率可達(dá)到101nm的數(shù)量級。由于原子在空間呈周期性排列，這些散射將在某些方向疊加而產(chǎn)生干涉增強(qiáng)，形成衍射峰。為了確定本實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件下所得薄膜的質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室制備出納米SiC薄膜后，需要對樣品進(jìn)行一系列的分析測試。測量了時間分辨的光電壓信號和不同偏壓下的時間分辨光電壓信號，分析了異質(zhì)結(jié)中光生電子空穴對的衰減過程及其與外加電場之間的關(guān)系。利用光致發(fā)光譜技術(shù)對不同比例的摻雜納米碳化硅薄膜的光致發(fā)光進(jìn)行了研究。摻雜技術(shù)作為SiC器件的一個重要工藝，高效、均勻的摻雜仍是目前急需解決的問題,利用這一技術(shù)制備的SiC的器件的性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。2003年中科院半導(dǎo)體所通過低壓化學(xué)氣相沉積的方法在p型硅(100)上得到了n3CSiC/pSi異質(zhì)結(jié)，其器件參數(shù)達(dá)到了反向擊穿電壓為220V，[29]。與Si器件工藝相比，由于SiC 的鍵強(qiáng)度高,雜質(zhì)擴(kuò)散所要求的溫度(1800℃)大大超過標(biāo)準(zhǔn)器件工藝的條件, 所以器件制作工藝中的摻雜不能采用擴(kuò)散工藝,大多都在生長過程中引入摻雜劑的原位摻雜方式,個別用離子注入摻雜。以射頻濺射SiC靶，沉積非晶SiC薄膜經(jīng)高溫真空退火成功地在Si(111)上制備出晶態(tài)SiC薄膜，高溫退火后，SiC晶粒尺寸增大，XRD峰明顯窄化。 納米碳化硅薄膜的發(fā)光研究進(jìn)展硅基發(fā)光材料是光電子集成的基礎(chǔ)材料之一。與金剛石相比，它的優(yōu)點(diǎn)是熱力學(xué)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(diǎn)對于器件工藝有相當(dāng)重要的作用。作為一種高溫半導(dǎo)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(jié)構(gòu)。SiC不同的多型體具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但是其物理性質(zhì)，特別是半導(dǎo)體性質(zhì)方面表現(xiàn)出各自的特性。所以SiC晶體是主要由共價(jià)鍵結(jié)合而成的原子晶體，因而硬度較高。另一方面，目前硅電子集成電路的發(fā)展在物理和技術(shù)上都已經(jīng)逼近了極限，信息、處理系統(tǒng)器件就需要按照新的