【正文】 此時(shí)主要是SiC中的電子通過(guò)界面的缺陷的多步隧穿然后和p型硅中的空穴復(fù)合的復(fù)合電流起主導(dǎo)作用。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(fù)合電流，此時(shí)的電流傳導(dǎo)機(jī)制主要是越過(guò)勢(shì)壘的電子和空穴到達(dá)了界面，同時(shí)到達(dá)界面的缺陷態(tài)電子和空穴發(fā)生了復(fù)合，這種電流和電壓有指數(shù)的依賴關(guān)系，并且主要在小偏壓下起主導(dǎo)作用[53]。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。在高溫段（圖a300K，圖b180K）符合擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)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(fù)合材料。cm)電導(dǎo)率S電極結(jié)構(gòu)如圖 431 所示，兩個(gè)電極間的狹縫寬度L約為 1mm，長(zhǎng)度b約為10mm。我們發(fā)現(xiàn)納米SiC薄膜的發(fā)光強(qiáng)度隨摻雜比例增加呈增加趨勢(shì)，但是發(fā)光峰的寬度變窄（從50nm下降到30nm）。該結(jié)果說(shuō)明摻雜導(dǎo)致薄膜的帶尾態(tài)吸收的增加，這將導(dǎo)致薄膜的光學(xué)帶隙隨摻雜比例增加而降低，但是高摻雜會(huì)使薄膜的帶隙增大，當(dāng)達(dá)到一定的摻雜比例以后薄膜的光學(xué)吸收邊又移向高能量方向。該效應(yīng)會(huì)跟P的摻雜機(jī)制有關(guān)，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。實(shí)驗(yàn)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。為進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)圖譜。尋找能夠?qū)崿F(xiàn)量子效應(yīng)為主要發(fā)光機(jī)制的納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)是SiC發(fā)光特性研究得的基礎(chǔ)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)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(hào)輸入到鎖相放大器（SRS510），由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到相對(duì)于波長(zhǎng)（或能量）變化的SPV光譜。如果在PN結(jié)上加反向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡同樣被破壞。在室溫下,價(jià)帶中的電子無(wú)法通過(guò)熱激發(fā)而越過(guò)較寬的禁帶,只要外加電場(chǎng)不是特別強(qiáng),理論上應(yīng)該沒(méi)有可以自由移動(dòng)的載流子存在,因此表現(xiàn)為電的絕緣體（電阻率）。根據(jù)透射光譜可推導(dǎo)出材料的光學(xué)帶隙值和薄膜的吸收譜。對(duì)于微晶及納米晶結(jié)構(gòu)的研究，X射線是常用的測(cè)試手段,這種方法簡(jiǎn)單易行且對(duì)樣品無(wú)破壞性。反應(yīng)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(yīng)室中。采用原位摻雜技術(shù)對(duì)此薄膜進(jìn)行了n型磷摻雜，通過(guò)改變摻雜劑和源氣體的流量比，得到具有不同電導(dǎo)率的納米SiC薄膜以及不同性能的ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)二極管。通過(guò)電導(dǎo)率的溫度依賴關(guān)系測(cè)量，結(jié)果顯示其載流子輸運(yùn)機(jī)制解釋為納米晶體中熱激發(fā)到導(dǎo)帶的電子在經(jīng)過(guò)非晶態(tài)與晶體界面及非晶態(tài)本身時(shí)被隧穿,又在納米晶體之間產(chǎn)生滲流,從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增高[27]。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(qiáng)度和峰位基本上保持不變。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(chǎng)(為硅的7到10倍)；高的熱導(dǎo)率(是硅的3倍以上)和高的電子飽和速率(是硅的2倍以上)。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。在太陽(yáng)能電池領(lǐng)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(yīng)[2],并且由于其對(duì)長(zhǎng)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。由于SiC材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特點(diǎn)，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用潛力，并將逐步取代現(xiàn)有的硅和砷化鎵基光電器件。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(yīng)用于硅器件和集成電路工藝。其晶格結(jié)構(gòu)由致密排列的兩個(gè)亞晶格組成，每個(gè)Si或（C）原子被四個(gè)C(或Si)原子包圍著，并通過(guò)定向的強(qiáng)四面體SP3鍵結(jié)合在一起[7]。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)。對(duì)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(shù)，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]。己有的研究表明，碳化硅對(duì)藍(lán)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(yīng)。這其中主要是因?yàn)?，現(xiàn)在對(duì)SiC的研究一般還都采用著和Si一樣的思路和方法，這勢(shì)必會(huì)給研究結(jié)果帶來(lái)誤差，但是SiC的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比Si復(fù)雜，所以在研究過(guò)程中經(jīng)常遇到前所未有的困難。測(cè)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。本實(shí)驗(yàn)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(cè)量了Si襯底上沉積的納米硅薄膜的傅立葉紅外光譜。其中二次電子是最主要的成像信號(hào)。電子空穴對(duì)通過(guò)不同的復(fù)合機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合，其中的輻射復(fù)合方式所發(fā)出的光發(fā)射，通常稱為熒光。如果將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體通過(guò)一定的工藝有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，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(kuò)散運(yùn)動(dòng)，同時(shí)留下不能移動(dòng)的正、負(fù)離子即勢(shì)壘層或空間電荷區(qū)——因此產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，其方向由n指向p區(qū)，其場(chǎng)使電子和空穴作漂移運(yùn)動(dòng)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的持續(xù)，內(nèi)建電場(chǎng)也隨著加強(qiáng)，即漂移運(yùn)動(dòng)阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的力量即時(shí)地加強(qiáng)，很快這兩種運(yùn)動(dòng)達(dá)到相互平衡，于是形成處于動(dòng)態(tài)平衡下的勢(shì)壘層即半導(dǎo)體pn結(jié)。在半導(dǎo)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?yàn)榇嬖陔妶?chǎng)，所以在半導(dǎo)體的表面或者界面通常存能帶彎曲—表面和界面勢(shì)壘，這些勢(shì)壘處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，因?yàn)檫@些勢(shì)壘的影響，使表面和體內(nèi)部之間存在電勢(shì)差Vs ，Vs也被定義為表面電勢(shì)[33]。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(dǎo)電玻璃樣品銅底座本實(shí)驗(yàn)種測(cè)量的穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜，均使用此實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量，而其中的瞬態(tài)光電壓譜使用了XeCl準(zhǔn)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。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。為分析薄膜中晶態(tài)的SiC顆粒尺寸，圖313插圖為3040176。實(shí)驗(yàn)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。分別對(duì)應(yīng)于晶態(tài)6HSiC 橫向光學(xué)聲子模(TO) 和縱向光學(xué)聲子模(LO)[41]。并且形成Psi的幾率比形成PC要大，因此再進(jìn)行低比例的摻雜時(shí)主要是形成Psi，此時(shí)形成的缺陷能級(jí)造成帶尾的展寬，同時(shí)被替換的硅在薄膜中游離存在使薄膜表現(xiàn)為富硅。樣品表面上的吸附物以及在襯底界面上的俘獲電荷都會(huì)產(chǎn)生空間電荷層，可能會(huì)嚴(yán)重地影響傳導(dǎo)過(guò)程。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(cè)量的漏電流。（1） 擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)電導(dǎo)率的公式為： （）對(duì)擴(kuò)展態(tài)，式中μ是擴(kuò)展態(tài)電子的遷移率，n 是擴(kuò)展態(tài)電子濃度，k為玻耳茲曼常數(shù)。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(yīng)力和晶粒內(nèi)部的各種缺陷都會(huì)在納米碳化硅帶隙中產(chǎn)生定域態(tài)。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(dāng)n型的SiC和p型的硅襯底接觸時(shí)，在兩者的界面將形成由nSiC指向pSi通過(guò)兩者界面的電場(chǎng)，對(duì)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(guò)渡很快僅僅發(fā)生在幾個(gè)原子的距離之內(nèi)。但是這種效應(yīng)往往會(huì)在更高的溫度消失，因?yàn)檩^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(shí)本征激發(fā)的載流子起主導(dǎo)作用，電阻率隨溫度的增加會(huì)降低。通過(guò)對(duì)電導(dǎo)。在一定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出了這種反型效應(yīng)，主要是因?yàn)榇藴囟确秶鷥?nèi)摻雜劑處于完全離子化狀態(tài)。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(guò)對(duì)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(fù)合電流起主要作用[51][52],并且可見對(duì)于這種二極管的正向開啟電壓約為5V。這說(shuō)明,在低溫下納米碳化硅帶隙中定域態(tài)之間的Hopping電導(dǎo)有可能成為電輸運(yùn)的主要機(jī)制。由于費(fèi)米能級(jí)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(shí)，才會(huì)有熱激發(fā)到遷移率邊之上的擴(kuò)展態(tài)中的電子導(dǎo)電，而在溫度較低時(shí)，局域態(tài)中的電子可以通過(guò)熱激活從一個(gè)局域態(tài)跳躍到另一個(gè)局域態(tài)。采用Ni作為形成n型歐姆接觸材料時(shí)，能較好地滿足條件。電導(dǎo)測(cè)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(zhǎng)一層 SiO2。光吸收隨摻雜比例的變化反映了P的摻雜機(jī)制。470 cm1左右強(qiáng)的Raman 帶主要來(lái)自于非晶硅散射,此外,非晶SiC聲學(xué)模也可能對(duì)它有貢獻(xiàn)[40]；1350cm 1處寬峰來(lái)源于非晶態(tài)類石墨CC 團(tuán)簇散射，對(duì)高于1％摻雜樣品此散射強(qiáng)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(dǎo)致薄膜中C的相對(duì)含量減少。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(jìn)行n型摻雜的可選雜質(zhì)，研究表明P摻雜可以達(dá)到比N摻雜更高的飽和自由載流子濃度[36]。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(duì)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。1100cm1 處的較小吸收對(duì)應(yīng)于CHn鍵的搖擺吸收模式，另外對(duì)應(yīng)SiH和CH伸展振動(dòng)模式的2100 and 2900 cm1處的吸收峰的存在也說(shuō)明了薄膜中具有少量的鍵合氫。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的電容耦合，通過(guò)軟接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟接觸是指對(duì)測(cè)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(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度。比如半導(dǎo)體和真空/空氣的表面稱為“自由表面”，半導(dǎo)體和其它固體之間的表面稱為“交界面”。因此,單就電導(dǎo)率而言,在有足夠多自由載流子的情況下,摻雜離子濃度應(yīng)當(dāng)越低越好。這些非平衡載流子一邊向體內(nèi)擴(kuò)散，一邊發(fā)生復(fù)合。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(diǎn)掃描成像。紅外光譜所揭示的固體原子振動(dòng)模式可以分為兩類：一類是成鍵原子之間相對(duì)位移的振動(dòng)模式，包括鍵長(zhǎng)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(méi)有變化的轉(zhuǎn)動(dòng)模式，包括擺動(dòng)、滾動(dòng)和扭動(dòng)三種。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(dǎo)機(jī)制。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(jìn)展。 納米碳化硅薄膜的電學(xué)特性和光電器件研究進(jìn)展近年來(lái)所出現(xiàn)的SiC研究熱的最大驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)使碳化硅在光電器件方面的發(fā)展又前進(jìn)了一步。然而，利用這項(xiàng)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(dòng)摻雜等一系列問(wèn)題嚴(yán)重影響了制備薄膜的性能。6HSiC是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，多用于光電子學(xué)器件。這就必須研究納米尺度中的理論問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題，建立適應(yīng)納米尺度的新的集成方法和新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(zhǎng)的發(fā)光器件由于具有更高的存儲(chǔ)密度和更快的讀寫速度，也已成為信息領(lǐng)域中半導(dǎo)體器件研究的一個(gè)熱點(diǎn)。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(yán)重限制了信息處理的速度和能力。所有這些特點(diǎn)使得硅基納米碳化硅復(fù)合薄膜在光電器件、太陽(yáng)能電池、傳感器、電發(fā)光二極管等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[36]，因而日益成為研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。由于晶體的對(duì)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。此外，它的化學(xué)惰性以及抗輻射性能對(duì)于工作在惡劣環(huán)境下的電子器件和傳感器來(lái)說(shuō)也頗具吸引力。陳長(zhǎng)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(xué)帶隙(E0pt)為2. 92eV。單晶硅上外延生長(zhǎng)SiC因?yàn)槌煞值?，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(chǎng)效應(yīng)二極管和抗惡劣條件的探測(cè)器等優(yōu)點(diǎn)受到了許多人的關(guān)注[28]。利用紫外－可見－近紅外吸收光譜對(duì)不同摻雜比例的薄膜的光學(xué)帶隙和吸收系數(shù)等進(jìn)行表征。其它實(shí)驗(yàn)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(chǎng)200高斯。 原子力顯微鏡（AFM）原子力顯微鏡（AFM）問(wèn)世于1986年，其工作原理是：一個(gè)對(duì)力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個(gè)微小的探針，當(dāng)探針輕微地接觸樣品表面時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)并進(jìn)行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號(hào)，從而對(duì)樣品表面形貌和粗糙度進(jìn)行研究。測(cè)試波段為200800nm。如果摻雜離子的價(jià)態(tài)高于被替代離子,則形成 N 型半導(dǎo)體。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?fàn)顟B(tài)。圖 241 實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dǎo)電玻璃照射到樣品上。在SiC