【正文】 （）對擴展態(tài)，式中μ是擴展態(tài)電子的遷移率，n 是擴展態(tài)電子濃度，k為玻耳茲曼常數(shù)。cm10106106696113251224560對于晶態(tài)半導體的導電機理主要是擴展態(tài)電導，在我們的樣品中由于納米粒子的邊界和許多較小的納米粒子的存在，因此存在無序結(jié)構(gòu)。圖432 樣品不同偏壓下表現(xiàn)出線性的IV特性 圖432給出了使用Ni電極和SiC接觸后，不同偏壓下測量的漏電流。電極制作完成后，通過HP100電學參量測試儀在直流偏壓5V下，測量薄膜的漏電流，通過電壓和電流的比值得到薄膜的電阻R。樣品表面上的吸附物以及在襯底界面上的俘獲電荷都會產(chǎn)生空間電荷層，可能會嚴重地影響傳導過程。對紅外譜的擬合可以比較不同摻雜比例的樣品的晶化度，以上三個樣品的晶化度分別為55％，60％和65％。并且形成Psi的幾率比形成PC要大，因此再進行低比例的摻雜時主要是形成Psi，此時形成的缺陷能級造成帶尾的展寬，同時被替換的硅在薄膜中游離存在使薄膜表現(xiàn)為富硅。為了給出摻雜對薄膜的光學帶隙的影響，我們使用Tauc的光學吸收模型(αE)1/2=B(EEg)分析了薄膜的光學帶隙[42]，其中α為相應波長處的吸收系數(shù)，E是入射光子能量， Eg為半導體基本吸收區(qū)的長波吸收限所對應的光子能量，稱為Tauc光學帶隙，B是聯(lián)合光學態(tài)密度和薄膜整體結(jié)構(gòu)無序性有關的常數(shù)。分別對應于晶態(tài)6HSiC 橫向光學聲子模(TO) 和縱向光學聲子模(LO)[41]。最后，在大約2800–3000 cm1處的吸收帶相應于sp3的C–Hn鍵伸縮模式。實驗中7059玻璃襯底上的樣品用于紅外、Raman和透射分析，而p型單晶硅襯底（ 111）的樣品用于SEM、AFM、發(fā)光和pn結(jié)特性的分析。X射線衍射和掃描電鏡表明其中的納米粒子的平均尺寸小于10nm，測量樣品的光致發(fā)光也發(fā)現(xiàn)對于這種包含6HSiC納米粒子的薄膜表現(xiàn)出與眾不同的短波長發(fā)光。為分析薄膜中晶態(tài)的SiC顆粒尺寸，圖313插圖為3040176?？梢钥闯?，176。以上結(jié)果表明，所制備的薄膜中碳和硅成分主要以SiC鍵合形式存在。等離子體增強化學氣相沉積是實現(xiàn)薄膜結(jié)構(gòu)制備的常用技術，并且這種技術和大規(guī)模集成電路相兼容，其所提供的非平衡熱力環(huán)境為納米材料制備提供了有利條件，采用高氫等離子體環(huán)境，該技術已經(jīng)成功用于Si:H和Ge等納米薄制備。圖 242 樣品盒裝置鎖相放大器樣品支架聚焦光束調(diào)距螺母導電玻璃樣品銅底座本實驗種測量的穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜，均使用此實驗裝置進行測量，而其中的瞬態(tài)光電壓譜使用了XeCl準分子激光器光源（308nm,20ns,脈沖能量能量10mJ）和400M高分辨數(shù)字熒光示波器。為了減小外界噪聲的影響，整個系統(tǒng)進行了適當?shù)墓怆娖帘?。在半導體的表面或者交界面由于局域的表面態(tài)或者界面態(tài)的影響，常常容易形成空間電荷區(qū)（SCR），在空間電荷區(qū)因為存在電場，所以在半導體的表面或者界面通常存能帶彎曲—表面和界面勢壘，這些勢壘處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，因為這些勢壘的影響，使表面和體內(nèi)部之間存在電勢差Vs ，Vs也被定義為表面電勢[33]。外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走，于是空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場增強，使多數(shù)載流子的擴散運動難于進行，同時加強了少數(shù)載流子的漂移運動，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。如果將p型半導體和n型半導體通過一定的工藝有機的結(jié)合起來，在其交界面附近的電子和空穴便因濃度差，而產(chǎn)生相向的擴散運動，同時留下不能移動的正、負離子即勢壘層或空間電荷區(qū)——因此產(chǎn)生內(nèi)建電場，其方向由n指向p區(qū)，其場使電子和空穴作漂移運動，隨著擴散運動的持續(xù)，內(nèi)建電場也隨著加強，即漂移運動阻礙擴散運動的力量即時地加強，很快這兩種運動達到相互平衡，于是形成處于動態(tài)平衡下的勢壘層即半導體pn結(jié)。在碳化硅中摻入價態(tài)不同的金屬離子或負離子,當摻雜離子以替代形式占據(jù)晶格中相應離子的位置時,由于不符合化學計量配比,就會有多余的電子或空穴出現(xiàn),被束縛在摻雜離子周圍,但是,這個束縛作用相當微弱,室溫下的熱運動就可以給它提供足夠的能量使之脫離束縛而在晶體中自由運動,形成 N 型或 P 型自由載流子。電子空穴對通過不同的復合機構(gòu)進行復合，其中的輻射復合方式所發(fā)出的光發(fā)射，通常稱為熒光。本實驗樣品所用的紫外可見透射光譜儀的型號為WFZ36。其中二次電子是最主要的成像信號。本實驗樣品的X射線衍射分析在Rigaku D/max Ⅱ型X射線衍射儀 ( 12 kw , Cukα radiation)上進行的。本實驗中采用BioRad 60V 型傅里葉變換紅外透射光譜儀(波數(shù)范圍為4004000cm1，分辨率為4 cm1)測量了Si襯底上沉積的納米硅薄膜的傅立葉紅外光譜。在薄膜沉積過程中，H2作為等離子體產(chǎn)生氣體，由等離子體產(chǎn)生室上部引入，SiH4和CH4混合氣體作為反應前驅(qū)氣體在等離子體產(chǎn)生室下部饋入， sccm。測量光照下二極管的整流特性及光照下異質(zhì)結(jié)的界面能帶變化。（2）、利用傅里葉變換紅外吸收光譜、拉曼光譜、掃描電鏡、原子力顯微鏡分析等對摻雜以后的SiC薄膜的鍵合結(jié)構(gòu)和薄膜的形貌和微結(jié)構(gòu)進行表征，分析n型磷摻雜的主要摻雜機理和摻雜對薄膜微結(jié)構(gòu)的影響。這其中主要是因為，現(xiàn)在對SiC的研究一般還都采用著和Si一樣的思路和方法，這勢必會給研究結(jié)果帶來誤差，但是SiC的結(jié)構(gòu)遠遠比Si復雜，所以在研究過程中經(jīng)常遇到前所未有的困難。碳化硅和單晶硅的有機結(jié)合開辟了硅基器件的一個新領域。己有的研究表明，碳化硅對藍紫光比普通的硅器件更敏感，并且光照下的穩(wěn)定性比非晶硅高，可以工作在更高的溫度，并且同樣具有較高的光生伏特效應。他們認為納米βSiC的量子限制效應是藍光發(fā)射的原因。對于較低的溫度下納米SiC薄膜制備及其新型功能的研究，Lee等人采用PECVD沉積技術，使用SiH4, CH4. H2氣體，在射頻功率為I50W，工作氣壓為40Pa，襯底溫度為600℃的條件下制備出納米SiC薄膜[18]，(111)Si片上制備了納米晶βSiC膜[19]。這些特性使它可望用于紫外傳感器以及高溫、高頻、大功率電子器件，盡管它的載流子遷移率略低。由于SiC特殊的晶體結(jié)構(gòu)，決定了其具有許多優(yōu)異的性質(zhì)。多型體SiC之間的相互區(qū)別僅僅在于每對SiC原子層堆垛次序不同，在沿密排方向的原子堆垛過程中，每對SiC原子層可以有各種不同的堆垛次序，從而構(gòu)成了大量不同SiC原子層周期結(jié)構(gòu)的SiC多型體。其晶格結(jié)構(gòu)由致密排列的兩個亞晶格組成，每個Si或（C）原子被四個C(或Si)原子包圍著，并通過定向的強四面體SP3鍵結(jié)合在一起[7]。并且這些器件在制備上主要采用離子束注入、磁控濺射、化學氣相沉積等現(xiàn)代化薄膜沉積技術，所以可與現(xiàn)有的硅集成電路制造工藝兼容。硅基納米顆粒在絕緣基質(zhì)中受外界影響小，發(fā)光性能穩(wěn)定，并且基質(zhì)SiC中某些缺陷能夠發(fā)射可見光[1]，且致密穩(wěn)定，與硅有極好的匹配，可以廣泛應用于硅器件和集成電路工藝。許多國家相繼投入了大量的資金對SiC進行了廣泛深入的研究，并己在SiC晶體生長技術、關鍵器件工藝、光電器件開發(fā)、SiC集成電路制造等方面取得了一定的突破，為軍用電子系統(tǒng)和武器裝備性能的提高，以及抗惡劣環(huán)境的電子設備提供了新型器件，一場碳化硅引導的電子工業(yè)革命變革時代即將到來。由于SiC材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移速度等特點，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應用潛力，并將逐步取代現(xiàn)有的硅和砷化鎵基光電器件。在硅基發(fā)光材料中，半導體納米復合薄膜尤其是硅基納米鑲嵌復合薄膜，由于納米粒子的引入，基于量子尺寸效應的能隙寬化、可見光光致發(fā)光、共振隧道效應、非線性光學等獨特的光電性能可望在光電子領域得到廣泛應用，從而引起了國內(nèi)外材料界和物理界的高度重視。在太陽能電池領域，由于aSiC或μCSiC具有較高的帶隙，因此可以代替aSi做窗口層，以改善電池的短波光譜響應[2],并且由于其對長波光較小吸收，還可以增加量子效率，減小串連阻抗從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。 SiC材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)SiC是IVIV族二元化合物，也是元素周期表IV組元素中唯一的穩(wěn)定固態(tài)化合物。SiC有許多同質(zhì)多型體，己發(fā)現(xiàn)的SiC同質(zhì)多型體就有250多種。而βSiC則比6HSiC活潑,較適應于制造高溫、大功率、高頻器件[9]及其它薄膜材料(如AlN, GaN、金剛石)的襯底和X射線的掩膜等。與硅相比，碳化硅具有更寬的禁帶寬度(是硅的2倍) ；更高的擊穿電場(為硅的7到10倍)；高的熱導率(是硅的3倍以上)和高的電子飽和速率(是硅的2倍以上)。因此，到目前為止如何在較低的襯底溫度下制備高質(zhì)量的SiC薄膜是當前研究的熱點問題[1517]。多孔碳化硅(PSC)有極好的發(fā)光穩(wěn)定性[23]，在自然存放、光輻射及高溫氧化條件下，發(fā)光強度和峰位基本上保持不變。然而由于SiC結(jié)構(gòu)及其發(fā)光特性的復雜性，關于碳化硅光電特性深入研究工作的報道較少。通過電導率的溫度依賴關系測量，結(jié)果顯示其載流子輸運機制解釋為納米晶體中熱激發(fā)到導帶的電子在經(jīng)過非晶態(tài)與晶體界面及非晶態(tài)本身時被隧穿,又在納米晶體之間產(chǎn)生滲流,從而導致電導率增高[27]。盡管如此，長期以來，SiC并未得以廣泛應用，它仍是一種不成熟的半導體。采用原位摻雜技術對此薄膜進行了n型磷摻雜，通過改變摻雜劑和源氣體的流量比，得到具有不同電導率的納米SiC薄膜以及不同性能的ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)二極管。（4）、研究ncSiC /Si異質(zhì)結(jié)二極管的光電壓特性。反應前先將硅襯底在10%的HF中浸泡5分鐘，再用去離子水漂洗和丙酮、乙醇清洗后置于反應室中。轉(zhuǎn)動的本質(zhì)也是一種振動，只不過相關原子之間的區(qū)別僅在于轉(zhuǎn)軸不同。對于微晶及納米晶結(jié)構(gòu)的研究，X射線是常用的測試手段,這種方法簡單易行且對樣品無破壞性。試樣為塊狀或粉末顆 粒，成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。根據(jù)透射光譜可推導出材料的光學帶隙值和薄膜的吸收譜。通過擴散，發(fā)光區(qū)將擴展到深入體內(nèi)約一個少子擴散長度的距離。在室溫下,價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,理論上應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（電阻率）。在理論上,載流子濃度最高可以達到摻雜濃度的 n 倍,其中 n 為摻雜離子與被替代離子的價態(tài)差。如果在PN結(jié)上加反向電壓，外電場與內(nèi)電場的方向一致，擴散與漂移運動的平衡同樣被破壞。但人們通常用術語“表面”來表示任何界面。實驗采用在可見、近紅外具有連續(xù)輻射譜的150W的鹵鎢燈作光源，經(jīng)單色儀分光后，再經(jīng)斬波器斬波后照射到樣品上，SPV耦合系統(tǒng)給出的交流信號輸入到鎖相放大器（SRS510），由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到相對于波長（或能量）變化的SPV光譜。為了保證儀器的穩(wěn)定性，實驗前我們通過不同特征譜線的光源和不同響應波長的探測器對石英棱鏡單色儀的波長和光強進行了定標，并且測量了單晶硅的表面光電壓譜（SPS）和同其它方法得到的譜線相對比，以確保儀器的其可靠性。尋找能夠?qū)崿F(xiàn)量子效應為主要發(fā)光機制的納米結(jié)構(gòu)制備技術是SiC發(fā)光特性研究得的基礎問題。2350 cm1左右處較強的吸收峰是由于樣品測試時儀器不能很好地扣除空氣中水分子吸收背景所致。為進一步分析薄膜的物相結(jié)構(gòu)，圖313給出了較低氫氣流量下制備的SiC樣品1的小角掠射X射線衍射圖，圖形底部為3C和6H型的晶態(tài)SiC粉末衍射標準圖譜。薄膜所呈現(xiàn)的較寬的衍射峰寬說明薄膜中晶態(tài)顆粒具有較小尺寸。實驗結(jié)果表明較高氫氣流量下制備的納米SiC薄膜的晶化度較高，其中主要成分為6HSiC納米粒子。本章將針對P原位摻雜技術制備了n型納米SiC薄膜，對不同摻雜比例的n型碳化硅的結(jié)構(gòu)和光學、電學特性進行分析，并研究了納米碳化硅的導電機制和基于此工藝制備的ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的二極管特性的電學特性。該效應會跟P的摻雜機制有關，在較高的摻雜比例下P可以替換SiC中的C，從而引起C含量的微弱增加。Raman譜中775 cm 1和940 cm 1附近兩個尖峰。該結(jié)果說明摻雜導致薄膜的帶尾態(tài)吸收的增加，這將導致薄膜的光學帶隙隨摻雜比例增加而降低，但是高摻雜會使薄膜的帶隙增大，當達到一定的摻雜比例以后薄膜的光學吸收邊又移向高能量方向。P的摻雜是一種替位摻雜，P在進行格點的競爭過程中不但可以替換其中的硅格點形成（Psi），也可以替換其中的C格點形成（PC），并且形成的Psi形成較淺的施主能級，而PC則形成較深的施主能級。我們發(fā)現(xiàn)納米SiC薄膜的發(fā)光強度隨摻雜比例增加呈增加趨勢，但是發(fā)光峰的寬度變窄（從50nm下降到30nm）。電極材料可用銀、鎳、鋁等金屬，用電子束蒸發(fā)或者磁控濺射等方法淀積。電極結(jié)構(gòu)如圖 431 所示，兩個電極間的狹縫寬度L約為 1mm，長度b約為10mm。其和SiC形成歐姆接觸的機理為勢壘模型：勢壘模型是指當n型半導體與功函數(shù)比其小的金屬接觸時，金屬與半導體之間將形成反阻擋層，其IV特性將是線性關系。cm)電導率S根據(jù) Mott的理論，在不同的溫度范圍內(nèi)，有不同的電子輸運過程。在高溫段（圖a300K，圖b180K）符合擴展態(tài)電導的理論公式，考慮到薄膜的微觀結(jié)構(gòu)是包含納米粒子和非晶介質(zhì)的復合材料。在上面的擴展態(tài)電導中我們沒有考慮其中的定域態(tài)的影響，我們僅將界面區(qū)域的非晶介質(zhì)層視作勢壘層,沒有計入非晶層中大量的定域態(tài)。cm）上n型摻雜的納米碳化硅形成的異質(zhì)結(jié)的pn結(jié)特性。而在更高的正偏壓下由于串連阻抗的影響，電流與電壓偏離了指數(shù)的依賴關系。我們可以這樣理解，較低的正偏壓下的漏電流，主要是ncSiC/Si界面缺陷的復合電流，此時的電流傳導機制主要是越過勢壘的電子和空穴到達了界面，同時到達界面的缺陷態(tài)電子和空穴發(fā)生了復合，這種電流和電壓有指數(shù)的依賴關系，并且主要在小偏壓下起主導作用[53]。因此，此時聲子和雜質(zhì)的散射起主導作用，并且其電阻隨溫度的增加而增大，因此會導致異質(zhì)結(jié)上的電壓降增大，所以會產(chǎn)生反型現(xiàn)象。此時主要是SiC中的電子通過界面的缺陷的多步隧穿然后和p型硅中的空穴復合的復合電流起主導