【正文】 ），為了研究摻雜氣體比例對薄膜的結(jié)構(gòu)和光電特性影響，制備了不同PH3摻雜比例（PH3：SiH4）的n型納米碳化硅膜，并對其結(jié)構(gòu)、形貌、光學和電學特性進行了表征。 5 第4章 摻雜納米碳化硅的光學和電學特性第4章 摻雜納米碳化硅的光學和電學特性納米碳化硅的短波長發(fā)射早已被人們所證實，其是制作短波長發(fā)光和光電器件理想的材料，但是由于碳化硅的禁帶寬度比較大，一般都大于 2eV,在未摻雜且符合化學配比的理想情況下,由原子外層電子形成的能帶是充滿的,導帶是空的,Fermi能級處于禁帶之中。范圍的衍射的多高斯擬合，根據(jù)Scherrer方程 ()式中K為近似等于1的常數(shù)，λ為入射X射線波長(λ=)，β為峰寬，θ為Bragger 散射角。176。同時, 因采用高氫稀釋等離子體生長環(huán)境, 薄膜中有少量以SiH和CH形式存在的鍵合氫成分。在SiC的制備中許多實驗都表明了較低的氫氣條件下在低溫得到的納米SiC為立方結(jié)構(gòu)的3CSiC，但是如果想獲得6HSiC等其它晶型，往往需要更高的襯底的溫度，然而更高的襯底溫度容易引起自摻雜等系列問題，因此有必要通過改變其它條件尋找合適6HSiC這一非常有前景的發(fā)光材料的生長區(qū)。 7 第3章 納米碳化硅薄膜的紫外發(fā)光第3章 納米碳化硅薄膜的制備及紫外發(fā)光特性SiC是存在許多多形體，3CSiC，4HSiC和6HSiC都是其材料族中比較成熟的材料，并且這些多形體大都具有較高的帶隙(2eV)。圖 241 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖石英棱鏡單色儀樣品盒鎖相放大器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)斬波器透鏡光源SPV采集系統(tǒng)以電容耦合為基礎(chǔ)，導電玻璃為頂部電極，銅底座為底部電極，入射光由調(diào)距螺母的孔隙經(jīng)導電玻璃照射到樣品上。表面光電壓（SPV）指光照引起的表面電勢的變化，并且兩者的大小相等符號相反。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，PN結(jié)的反向電阻很高，即PN結(jié)處于截止狀態(tài)。這種熱平衡下的pn結(jié)具有統(tǒng)一的費米能級（EF）。如果摻雜離子的價態(tài)高于被替代離子,則形成 N 型半導體。熒光在逸出表面之前會受到樣品本身的自吸收。測試波段為200800nm。由電子槍發(fā)射的能量為5 ～ 35keV 的電子，以其交叉斑作為電子源，經(jīng)二級聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅(qū)動下，于試樣表面按一定時間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。 原子力顯微鏡（AFM）原子力顯微鏡（AFM）問世于1986年，其工作原理是：一個對力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個微小的探針，當探針輕微地接觸樣品表面時，由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產(chǎn)生極其微弱的相互作用力而使微懸臂彎曲，將微懸臂彎曲的形變信號轉(zhuǎn)換成光電信號并進行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號，從而對樣品表面形貌和粗糙度進行研究。 X射線的衍射分析（XRD）當X射線與晶體中諸原子中的電子作用時，在一定條件下會在空間各個方向產(chǎn)生散射。其它實驗條件分別為溫度保持在500 ℃，射頻耦合功率800 W，外加靜態(tài)磁場200高斯。測量不同波長的光電壓響應以及不同偏壓下的光電壓響應，研究了SiC的窗口效應和ncSiC/Si界面電場隨外電場的變化。利用紫外－可見－近紅外吸收光譜對不同摻雜比例的薄膜的光學帶隙和吸收系數(shù)等進行表征。例如目前對納米碳化硅的發(fā)光研究中報道的發(fā)光能量還遠遠小于納米SiC發(fā)光所能達到的極限。單晶硅上外延生長SiC因為成分低，基片大并可以用于異質(zhì)結(jié)二極管、異質(zhì)結(jié)晶體管、結(jié)場效應二極管和抗惡劣條件的探測器等優(yōu)點受到了許多人的關(guān)注[28]。但是本征碳化硅中由于禁帶寬度較大，費米能級處于禁帶之中，室溫下導帶是空的，理論沒有自由載流子，因此本征載流子濃度非常低，所以本征的薄膜表現(xiàn)為電阻率很高，因此，為了實現(xiàn)有商業(yè)用途的碳化硅器件，完善摻雜、歐姆接觸等工藝是不可或缺的。陳長清等采用PECVD法制備了性能優(yōu)異、紫外光激發(fā)下可發(fā)射綠光的氫化非晶碳化硅(aSiC:H)膜，光學帶隙(E0pt)為2. 92eV。在國內(nèi)，西安理工大學應用物理系雷天民等人采用熱絲化學氣相沉積（HFCVD）技術(shù)，使用SiH4,CH4,H2氣體，在襯底溫度為6001100℃的條件下，也制備出納米SiC薄膜 [20]。此外，它的化學惰性以及抗輻射性能對于工作在惡劣環(huán)境下的電子器件和傳感器來說也頗具吸引力。SiC作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料，具有一系列與金剛石、cBN相似的性質(zhì)，如較高的硬度、大的高溫強度、優(yōu)越的耐腐蝕性、良好的導熱性能、較小的膨脹系數(shù)、強的抗熱震性及氧化性等優(yōu)良特性。由于晶體的對稱性取決于堆垛次序的周期性，SiC多型體可以分為三種基本的晶體類型，即立方晶系(C)、六角晶系(H)和三角晶系(R), 立方晶系的3CSiC又稱為βSiC，具有六角和三角晶系結(jié)構(gòu)的SiC多型體又稱為aSiC。,，有一定程度的極化，其中離子性對鍵合的貢獻約為12%[8]。所有這些特點使得硅基納米碳化硅復合薄膜在光電器件、太陽能電池、傳感器、電發(fā)光二極管等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景[36]，因而日益成為研究和關(guān)注的焦點。SiC由于較高的帶隙（Eg）是短波長發(fā)射的理想材料。傳統(tǒng)微電子技術(shù)中信息的載體是電子，隨著信息技術(shù)的高度發(fā)展，它已嚴重限制了信息處理的速度和能力。碳化硅（SiC）是繼第一代半導體材料硅和第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）之后發(fā)展起來的第三代半導體材料，并且是一種應用潛力巨大的極端電子學材料。硅基發(fā)光器件主要圍繞如何提高發(fā)光效率和光子能量而被人們廣泛關(guān)注著，并且短波長的發(fā)光器件由于具有更高的存儲密度和更快的讀寫速度，也已成為信息領(lǐng)域中半導體器件研究的一個熱點。Si基SiC/Si工藝一方面可充分發(fā)揮異質(zhì)結(jié)的優(yōu)異性能，另一方面又很好地利用了成熟的硅平面工藝的長處，因而受到國際上的廣泛重視，SiC/Si異質(zhì)結(jié)器件電路即將成為最活躍的熱門研究領(lǐng)域之一。這就必須研究納米尺度中的理論問題和技術(shù)問題，建立適應納米尺度的新的集成方法和新的技術(shù)標準。從晶體結(jié)構(gòu)上講SiC最顯著的特征是存在同質(zhì)多型體現(xiàn)象。6HSiC是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，多用于光電子學器件。這是由于碳化硅的物理化學性能相當優(yōu)異,如表11所示。然而，利用這項技術(shù)沉積的碳化硅膜大多數(shù)為非晶結(jié)構(gòu)，沉積晶態(tài)SiC大多需要較高的襯底溫度，由此引起自動摻雜等一系列問題嚴重影響了制備薄膜的性能。研究表明，505nm和480nm峰位為C+注入樣品所特有，且隨C+注入劑量增大，PL譜中短波長成分增大[21]。 納米碳化硅薄膜的電學特性和光電器件研究進展近年來所出現(xiàn)的SiC研究熱的最大驅(qū)動力在于新型碳化硅光電器件的探索，而繼納米碳化硅室溫下光致發(fā)光現(xiàn)象之后，碳化硅的電致發(fā)光的實現(xiàn)使碳化硅在光電器件方面的發(fā)展又前進了一步。華中科技大學等對納米4H碳化硅薄膜的摻雜進行了研究，發(fā)現(xiàn)納米碳化硅薄膜具有高摻雜效率,且其電導預前因子與激活能滿足正常和反轉(zhuǎn)MeyerNeldel規(guī)則。如前所述，在SiC材料以及一些特殊器件的制取方面取得了巨大的進展。利用X射線衍射譜對其進行晶型、晶向、晶粒大小分析。研究了np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)二極管的整流特性及其電流傳導機制。實驗中分別采用雙面拋光的p型單晶Si（111）和7059玻璃為襯底。紅外光譜所揭示的固體原子振動模式可以分為兩類：一類是成鍵原子之間相對位移的振動模式，包括鍵長有變化的伸縮模式和鍵角有變化的彎折模式；另一類是成鍵原子之間位移沒有變化的轉(zhuǎn)動模式，包括擺動、滾動和扭動三種。只要測出某種材料的X射線的衍射譜，再求出每個衍射峰對應的晶面間距，就能參照已知晶體結(jié)構(gòu)的晶面間距和衍射峰的相對強度等數(shù)據(jù)，很方便地進行物相鑒定。探針構(gòu)成材料為Si3N4. 掃描電子顯微鏡（SEM）掃描電鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像。透過率T與入射光波長λ（或頻率ω）之間的關(guān)系叫做透射光譜。這些非平衡載流子一邊向體內(nèi)擴散，一邊發(fā)生復合。 薄膜的電學、光電特性表征技術(shù) 薄膜電阻率和異質(zhì)結(jié)的IV特性的測量由于碳化硅的禁帶寬度比較大，一般都大于 2eV,在未摻雜且符合化學配比的理想情況下,由原子外層電子形成的能帶是充滿的,導帶是空的,Fermi能級處于禁帶之中。因此,單就電導率而言,在有足夠多自由載流子的情況下,摻雜離子濃度應當越低越好。在一定范圍內(nèi)，外電場愈強，正向電流愈大，這時PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導通狀態(tài)。比如半導體和真空/空氣的表面稱為“自由表面”，半導體和其它固體之間的表面稱為“交界面”。主要由連續(xù)光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、SPV耦合系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗過程中的電容耦合，通過軟接觸來實現(xiàn)，軟接觸是指對測量電極和樣品輕輕的接觸，形成了較大的接觸電容，此種軟接觸模式由于具有較高的接觸電容和較小的容抗，因此可以很大程度上提高測量信號的強度。納米尺度SiC結(jié)構(gòu)制備還有其特有的多相共存及Si、C物相分離等限制因素，SiC的熱退火一般表現(xiàn)Si、C物相的分離，Si+和C+離子注入SiO2所制備的納米薄膜也呈現(xiàn)為SiC和納米Si晶粒混合相的藍白發(fā)光特征。1100cm1 處的較小吸收對應于CHn鍵的搖擺吸收模式，另外對應SiH和CH伸展振動模式的2100 and 2900 cm1處的吸收峰的存在也說明了薄膜中具有少量的鍵合氫。該實驗結(jié)果表明，氫氣含量對納米SiC薄膜中的納米晶粒大小及其分布均有顯著的影響。該結(jié)果表明所沉積薄膜主要為6H型的晶態(tài)SiC納米結(jié)構(gòu)，考慮到6HSiC的對稱結(jié)構(gòu)，該結(jié)論和圖312 SEM中三角結(jié)構(gòu)顆粒形狀合理一致。 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)。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進行n型摻雜的可選雜質(zhì)，研究表明P摻雜可以達到比N摻雜更高的飽和自由載流子濃度[36]。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，此移動一般是由于C含量的變化引起的，對于非晶碳化硅中此模式一般處于2000 cm1，而在SiC中一般移動到2100 cm1，這種移動是因為周圍的C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，此處的微小移動可能因于薄膜中C含量的微小增加。470 cm1左右強的Raman 帶主要來自于非晶硅散射,此外,非晶SiC聲學模也可能對它有貢獻[40]；1350cm 1處寬峰來源于非晶態(tài)類石墨CC 團簇散射，對高于1％摻雜樣品此散射強度較弱，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摻雜的增加主要導致薄膜中C的相對含量減少。從圖中可以看出適當?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。光吸收隨摻雜比例的變化反映了P的摻雜機制。我們認為這些發(fā)光同樣主要來源于小的6HSiC納米粒子的量子限制效應，此時的發(fā)光機制主要是光照下納米粒子內(nèi)部產(chǎn)生的電子空穴對在納米粒子的表面通過表面態(tài)復合發(fā)光。電導測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一層 SiO2。我們選取生長在石英或者玻璃襯底上的SiC薄膜樣品，應用真空直流濺射鍍膜法在薄膜表面濺射鎳(Ni)電極。采用Ni作為形成n型歐姆接觸材料時，能較好地滿足條件。表431 不同摻雜比例的薄膜的電導率摻雜比例(PH3/SiH4)％電阻率(Ω由于費米能級被釘扎在能隙中，其附近都是局域態(tài)，故只有在溫度較高時，才會有熱激發(fā)到遷移率邊之上的擴展態(tài)中的電子導電，而在溫度較低時，局域態(tài)中的電子可以通過熱激活從一個局域態(tài)跳躍到另一個局域態(tài)。可見電導曲線分為兩個不同的線性區(qū)域。這說明,在低溫下納米碳化硅帶隙中定域態(tài)之間的Hopping電導有可能成為電輸運的主要機制。 摻雜納米碳化硅/硅異質(zhì)結(jié)的電學特性 碳化硅和單晶硅的有機結(jié)合（SiC/Si異質(zhì)結(jié)）開辟了硅基器件的一個新領(lǐng)域，為了對摻雜的納米碳化硅薄膜的電學特性進行進一步的表征，我們測量了p型硅襯底（111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界面缺陷的復合電流起主要作用[51][52],并且可見對于這種二極管的正向開啟電壓約為5V。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。在一定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出了這種反型效應，主要是因為此溫度范圍內(nèi)摻雜劑處于完全離子化狀態(tài)。因此表明此時的傳導機制主要是通過界面的缺陷態(tài)的多步隧穿過程[55]。通過對電導。 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。但是這種效應往往會在更高的溫度消失，因為較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，此時本征激發(fā)的載流子起主導作用，電阻率隨溫度的增加會降低。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)合擴散和發(fā)射電流的特征，我們發(fā)現(xiàn)此時的電流特征非常符合此模型，此時擴散和發(fā)射電流分別在不同的偏壓下起主導作用，當p區(qū)的導帶底低于n區(qū)的尖峰時擴散電流起主導作用，隨著外加偏壓的增大，p區(qū)的導帶底低于n區(qū)的尖峰一定值時發(fā)射電流將起主導作用。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n型的SiC和p型的硅襯底接觸時，在兩者的界面將形成由nSiC指向pSi通過兩者界面的電場，對于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)生在幾個原子的距離之內(nèi)。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。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力和晶粒內(nèi)部的各種缺陷都會在納米碳化硅帶隙中產(chǎn)生定域態(tài)。因此，此時的導電過程為擴展態(tài)電導，更具體的應表述為熱輔助的納米粒子之間的單電子隧穿過程[49]。（1） 擴展態(tài)電導電導率的公式為：