【正文】 原理來設(shè)計(jì)。目前，有很多關(guān)于 Si 基發(fā)光材料和器件的報(bào)導(dǎo)，但是多數(shù)還局限于光致發(fā)光，要真正達(dá)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(yīng)用，實(shí)現(xiàn)SiC的同質(zhì)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)是必須的。為了推動信息產(chǎn)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(shù)形成光電子集成來突破此“瓶頸”效應(yīng)。硅（Si）是主宰當(dāng)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(shù)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(lán)色可見光的新要求。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(xiàn)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(shù)的基礎(chǔ)材料，它們占當(dāng)前整個半導(dǎo)體產(chǎn)品的95%，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和各種電子產(chǎn)品)，加之可以利用現(xiàn)有的完善的硅平面集成電路技術(shù)，雖然硅是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率很低，研究硅基發(fā)光材料無論是從技術(shù)發(fā)展還是經(jīng)濟(jì)效益看都是比較合理的。八十年代末，隨著分子束外延、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積等超薄外延技術(shù)的發(fā)展，高質(zhì)量的Si基異質(zhì)材料的生長技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，極大地促進(jìn)了異質(zhì)結(jié)器件和電路的快速發(fā)展。小于這一尺寸，原先以晶體管效應(yīng)為基礎(chǔ)的工作模式將不再適用。特殊的晶體結(jié)構(gòu)決定了SiC異常突出的化學(xué)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(xué)和熱傳導(dǎo)性能。由于SiC多型體具有不同的物理性質(zhì)，因而用途也不一樣。a0=C0=a0=C0=膨脹系數(shù)（106℃1）密度（g cm3）熔點(diǎn)（℃）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(shù)9電阻率（）100015010111012101010131013熱導(dǎo)率（Wcm1K1）（）22吸收邊（μm）折射率硬度 Kg mm2100060039802130C0120010000在寬帶隙的半導(dǎo)體研究中，碳化硅尤其受到人們的青睞。 低維SiC材料合成以及其光學(xué)和電學(xué)特性的研究進(jìn)展 納米碳化硅薄膜的制備進(jìn)展雖然人們很早就發(fā)現(xiàn)了SiC材料的獨(dú)特性質(zhì)，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(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，SiC半導(dǎo)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(xiàn)出來，如：球磨法、C+注入法、自組織生長法、激光燒蝕沉積技術(shù)和化學(xué)氣相沉積技術(shù)等[13][14]，其中對于化學(xué)氣相沉積法，因其可與大規(guī)模集成電路工藝相兼容，可以大面積沉積等優(yōu)點(diǎn)，近年來倍受關(guān)注。SiC是一種寬禁帶半導(dǎo)體，在高溫高壓和大功率器件方面有重要價(jià)值，同時又是一種有希望的藍(lán)光材料, 50keV的C+注入P型(100) Si片，經(jīng)950℃ N2環(huán)境退火后和電化學(xué)腐蝕形成多孔結(jié)構(gòu)βSiC，其可顯現(xiàn)出藍(lán)光發(fā)射特性[21][22]。在室溫條件下以280nm光激發(fā)薄膜，峰位在341nm處獲得了半峰寬為45nm的短波發(fā)光。而本征氫化納米碳化硅薄膜（ncSiC:H），[26]。 當(dāng)前主要存在問題和本文主要工作自從20世紀(jì)90年代，特別是美國Cree公司生產(chǎn)的SiC體單晶及外延片商業(yè)化以來，SiC材料及器件相關(guān)工藝的研究在國外己成為熱點(diǎn)。所做的主要工作：（1）、采用螺旋波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（HWPCVD）技術(shù)，改變實(shí)驗(yàn)參量（H2的流量）沉積具有更短的發(fā)光波長，具有六角對稱結(jié)構(gòu)的納米SiC薄膜。通過電導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律，研究納米納米SiC薄膜主要的電流傳導(dǎo)機(jī)制。其原理是利用氣體放電，將低壓原料氣體等離子體化，形成活性的激發(fā)態(tài)分子、原子、離子和原子團(tuán)等，使化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，誘發(fā)非平衡的薄膜沉積條件，這將顯著降低薄膜的沉積溫度，使得某些原來需要在高溫下進(jìn)行的反應(yīng)過程得以在低溫實(shí)現(xiàn)。在中紅外區(qū)即4004000cm1的波數(shù)范圍內(nèi)，不同的分子振動對不同波長（波數(shù)）紅外輻射的吸收程度是不同的，因此當(dāng)不同波長的紅外輻射照到樣品表面時，某些波長的輻射可能被樣品選擇性地吸收而減弱，于是形成紅外吸收光譜。每種晶體都有一組特征晶面間距,可用來標(biāo)識它的晶體結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)采用美國Digital Instrument 公司生產(chǎn)的Dimension 3000型原子力顯微鏡對樣品形貌和表面粗糙度進(jìn)行研究。因此在入射和透射方向可能產(chǎn)生多次反射或多次透射光的疊加，形成干涉花樣。光致發(fā)光測量的基本原理是，當(dāng)激發(fā)光源發(fā)出hvEg的光照射到被測樣品表面時，由于激發(fā)光在材料中吸收系數(shù)很大（通常大于104cm1），通過本征吸收，在材料表面一定厚度以內(nèi)的區(qū)域里激發(fā)產(chǎn)生大量的電子空穴對，使樣品處于非平衡態(tài)。此外PLE譜可以把發(fā)光同吸收兩個方面聯(lián)系起來，但PLE技術(shù)對非輻射復(fù)合是無能為力的。然而,摻雜離子在碳化硅中的溶解度是有限的,而且,摻雜離子是一種晶格缺陷,對電子有較強(qiáng)的散射作用,如果濃度較高,則會嚴(yán)重影響載流子的遷移率。外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷，同時N區(qū)的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷，于是空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。 異質(zhì)結(jié)的表面光電壓測量表面被定義為有不同物理特性媒介的邊界。本實(shí)驗(yàn)表面光電壓測量的實(shí)現(xiàn)采用了電容耦合方式，實(shí)驗(yàn)裝置如圖241所示。另外，為獲得真實(shí)信號，需滿足以下實(shí)驗(yàn)條件：保持基本的小信號條件，即|SPV|kT/e[29]；樣品表面均勻照明。SiC納米發(fā)光結(jié)構(gòu)的制備表現(xiàn)出與納米Si相似的困難，所制備納米結(jié)構(gòu)的表面缺陷是制約其發(fā)光特性的重要因素，近年來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用陽極氧化技術(shù)所制備的多孔SiC結(jié)構(gòu)雖能表現(xiàn)出較強(qiáng)的室溫發(fā)光，其一般固定在某一波長的特征與SiC粒子表面缺陷緊密相關(guān)，激光化學(xué)氣相沉積法制備的納米粉的發(fā)光效率和波長主要決定于SiC晶粒表面的非晶成分。可以看出，三個樣品的紅外光吸收在波數(shù)800 cm1左右均呈現(xiàn)出強(qiáng)的SiC的TO聲子特征伸縮振動所對應(yīng)的吸收峰。在較小的H2比例條件下，SiC納米片的尺寸呈現(xiàn)從幾納米到幾十納米大小不均勻分布；隨氫氣流量的增加，樣品中SiC納米片的尺寸增加，小粒徑的片狀顆粒相對減少；而在更高的氫氣比例條件下，樣品表面主要為幾十納米的片狀分布。衍射峰對應(yīng)為6H SiC的(110)面衍射。薄膜的詳細(xì)發(fā)光機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。原位摻雜是和大規(guī)模集成電路CVD工藝相兼容的一種摻雜技術(shù)，摻雜劑氣體可以直接和源氣體混和，因此很容易實(shí)現(xiàn)。在大約1000 cm1處的這個較弱的肩峰可歸因于Si–CHn的搖擺模式。圖412 未摻雜和摻磷比例1%的SiC的Raman譜圖412給出了低摻雜和未摻雜的SiC樣品的Raman譜，可以看出薄膜的散射在470 ,775，940和1350 cm1附近存在四個寬的Raman 振動帶。 摻雜納米SiC薄膜的光學(xué)特性 摻雜納米碳化硅的光吸收特性 光吸收譜是研究半導(dǎo)體中相應(yīng)的能量狀態(tài)及其間躍遷過程的有效手段，通過測量薄膜的透射和反射我們得到了薄膜對光光吸收特性，圖421給出了摻雜薄膜的光學(xué)吸收特性隨摻雜比例的變化。在更高的摻雜比例下薄膜的光學(xué)帶隙隨摻雜比例增加而增加，可解釋為高比例摻雜時，P會替換SiC中的C， C的增多可能導(dǎo)致薄膜的光學(xué)帶隙增加。 圖423給出了不同的摻雜比例的納米SiC的光致發(fā)光譜，實(shí)驗(yàn)中固定激發(fā)光的波長為280nm，發(fā)現(xiàn)不同摻雜的納米SiC的發(fā)光峰位基本固定在375nm，對應(yīng)較高的光子能量。cm)－1 ，是一種半絕緣膜，這將給電導(dǎo)的測量帶來一定的困難。利用螺旋波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法通過不斷調(diào)整摻磷的比例成功制備出了一系列納米SiC薄膜樣品。在眾多的金屬和合金中，Ni, AI/Ni/AI, Cr, A1, AuTa, TaSi2, W, Ta, Ti, Ti/Au,TiSi2, Co, WSi等金屬或合金都可以被用來做n型SiC的歐姆接觸，Ni被認(rèn)為是較好的歐姆接觸電極材料，一方面電阻率較低，另一方面符合工業(yè)的要求。電導(dǎo)率的最初增加是由于摻雜效率的增加引起的，當(dāng)摻雜比例大于1％以后，電導(dǎo)率又稍微減小，是由于較高比例的P摻雜時，P替換其中的C原子形成的施主能級較深，常溫下這些施主能級的激活率很低，因此電導(dǎo)率略有降低[48]。處于局域態(tài)中的電子，通過熱激活才能從一個態(tài)跳躍到另一個態(tài)，這種跳躍過程亦對電導(dǎo)率有貢獻(xiàn)。因此完整的電導(dǎo)率的表達(dá)式可以寫成：（）圖433 ％和1%的納米SiC薄膜的電導(dǎo)率曲線：（a）％ (b) 摻雜比例1％%和1%摻雜的納米SiC薄膜的電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線，其中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果由lnσ1000/T 曲線給出。這很好地符合費(fèi)米能級附近定域態(tài)之間的近程跳躍（Hopping）電導(dǎo)率。納米碳化硅薄膜中的定域態(tài)來自非晶層、碳化硅晶粒表面以及碳化硅硅晶粒內(nèi)部的缺陷和應(yīng)變等因素造成的大量缺陷態(tài)。20V)％和1％摻雜的納米碳化硅和單晶硅形成的異質(zhì)結(jié)二極管（HJD）的整流比分別為45和350，并且在負(fù)偏壓下沒有發(fā)現(xiàn)pn結(jié)的擊穿現(xiàn)象，因此反向擊穿電壓高于20V，對于SiC/Si異質(zhì)結(jié)反向擊穿電壓一般高于100V[50],但是本實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制，沒有觀察到這一現(xiàn)象。并且正向的漏電流在不同的偏壓區(qū)顯示出不同的斜率，這顯示了不同偏壓下具有不同的電流傳輸機(jī)制。式中的第一項(xiàng)表示ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)上的電壓降，第二項(xiàng)表示由于聲子、雜質(zhì)、位錯的散射引起的歐姆電壓，而第三項(xiàng)包含電子空穴散射造成的歐姆電壓降和所有的接觸阻抗和串連阻抗造成的電壓降。 （）其中的I0和T0均為常數(shù)。cm1，納米碳化硅的電導(dǎo)率隨溫度變化關(guān)系表明，納米碳化硅主要存在兩種導(dǎo)電機(jī)制：較高溫度下電子可以激發(fā)到導(dǎo)帶，所以主要是擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)；較低溫度下則主要是費(fèi)米能級附近，缺陷局域態(tài)間的近程跳躍電導(dǎo)。通過分析紅外和吸收譜，我們認(rèn)為主要的摻雜機(jī)理是替位摻雜，即P原子對Si和C的替換作用，較低的摻雜情況下主要是替換其中的Si，而隨著摻雜比例提高會替換其中的C原子。圖445給出了較高溫度下的IV曲線和低溫下對比，我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)反型現(xiàn)象沒有發(fā)生。同時我們還發(fā)現(xiàn)，在較高的偏壓區(qū)對于相同的偏壓下的漏電流隨溫度的增加而增大，表明異質(zhì)結(jié)二極管上的電壓降隨溫度的增加而減小，可見此時異質(zhì)結(jié)二極管的內(nèi)建電場隨溫度的增加而減小。根據(jù)兩者的能帶結(jié)構(gòu)和電子親和能，得到的np SiC/Si異質(zhì)結(jié)平衡時的能帶圖可以由圖443表示，因此導(dǎo)帶的不連續(xù)小于價(jià)帶。p type cSin type ncSiCNiNi圖441 ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的示意圖圖442 不同摻雜比例的n型SiC和P型襯底形成的pn結(jié)的IV特性：(a)未摻雜(b)%摻雜(c)1%摻雜 np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的IV特性用Ni作為pn異質(zhì)結(jié)的接觸電極,厚度分別為500nm左右, ～2mm2。類似于非晶碳化硅的情形,納米碳化硅中所有這些定域態(tài)也會在導(dǎo)帶邊以下形成帶尾. ，因此費(fèi)米能級靠近帶尾。首先，電子通過熱激發(fā)的方式到達(dá)納米碳化硅的導(dǎo)帶底部，然后以隧穿的方式傳導(dǎo)。 （）當(dāng)溫度足夠高時，熱能有可能將電子激發(fā)到遷移率邊以上的狀態(tài)，在擴(kuò)展態(tài)內(nèi)運(yùn)動，這時電導(dǎo)率可表示為： （）式中 EC是遷移率邊對應(yīng)的能量，σ0是當(dāng) EF＝EC時的電導(dǎo)率，也就是擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)率的最低限，也可以說是局域化開始時的電導(dǎo)率。這些都將影響薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，由于無序而使導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊拖尾，因而有帶尾態(tài)存在?？梢姶穗妷弘娏髑€表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，Ni和SiC形成了較好的歐姆接觸，因此在不同的偏壓下得到薄膜的電阻和電導(dǎo)率一致。通過下面的公式即可得到薄膜的電阻率： （）其中S＝bd，即電極的長度乘以膜厚，l為兩電極之間的距離。因此，電導(dǎo)率測試最好在 105 mmHg 的真空中進(jìn)行，但這也不能完全避免空間電荷層的影響。因此我們分析樣品對應(yīng)于較高晶化度的納米SiC薄膜，納米粒子的表面態(tài)對發(fā)光起很大的增強(qiáng)作用[46]。而隨著摻雜比例的提高薄膜中PC，從而薄膜中會產(chǎn)生富余的C，過多的C的存在將會使薄膜的光學(xué)帶隙顯著增加[45]，這也和薄膜的紅外Raman譜相一致：較低的摻雜表現(xiàn)為富硅，而隨著摻雜比例的提高薄膜中C含量顯著提高。雖然這種模型對摻雜薄膜和包含非晶介質(zhì)和晶態(tài)的納米粒子的薄膜的應(yīng)用目前還存在爭議，但是我們發(fā)現(xiàn)對于我們的薄膜(αE)1/2隨E的變化存在較好的線性關(guān)系。 這兩個模式散射峰的出現(xiàn)說明樣品內(nèi)部存在SiC結(jié)晶。 摻雜納米碳化硅薄膜的Raman譜拉曼光譜作為紅外光譜分析的補(bǔ)充手段，常常與紅外光譜共用。 實(shí)驗(yàn)中使用的磷摻雜劑為磷烷（PH3