【正文】 的制備中許多實(shí)驗(yàn)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(wèn)題，因此有必要通過(guò)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(zhǎng)區(qū)。176。 5 第4章 摻雜納米碳化硅的光學(xué)和電學(xué)特性第4章 摻雜納米碳化硅的光學(xué)和電學(xué)特性納米碳化硅的短波長(zhǎng)發(fā)射早已被人們所證實(shí)，其是制作短波長(zhǎng)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(xué)配比的理想情況下,由原子外層電子形成的能帶是充滿(mǎn)的,導(dǎo)帶是空的,Fermi能級(jí)處于禁帶之中。 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。雖然這種模型對(duì)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(zhēng)議，但是我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于我們的薄膜(αE)1/2隨E的變化存在較好的線性關(guān)系。因此我們分析樣品對(duì)應(yīng)于較高晶化度的納米SiC薄膜，納米粒子的表面態(tài)對(duì)發(fā)光起很大的增強(qiáng)作用[46]。通過(guò)下面的公式即可得到薄膜的電阻率： （）其中S＝bd，即電極的長(zhǎng)度乘以膜厚，l為兩電極之間的距離。這些都將影響薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，由于無(wú)序而使導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊拖尾，因而有帶尾態(tài)存在。首先，電子通過(guò)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)。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。同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)，在較高的偏壓區(qū)對(duì)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(jiàn)此時(shí)異質(zhì)結(jié)二極管的內(nèi)建電場(chǎng)隨溫度的增加而減小。通過(guò)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(duì)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(huì)替換其中的C原子。 （）其中的I0和T0均為常數(shù)。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。納米碳化硅薄膜中的定域態(tài)來(lái)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)。因此完整的電導(dǎo)率的表達(dá)式可以寫(xiě)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。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(shí)，P替換其中的C原子形成的施主能級(jí)較深，常溫下這些施主能級(jí)的激活率很低，因此電導(dǎo)率略有降低[48]。利用螺旋波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法通過(guò)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。 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(zhǎng)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(duì)應(yīng)較高的光子能量。 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(guò)程的有效手段，通過(guò)測(cè)量薄膜的透射和反射我們得到了薄膜對(duì)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。在大約1000 cm1處的這個(gè)較弱的肩峰可歸因于Si–CHn的搖擺模式。薄膜的詳細(xì)發(fā)光機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。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(duì)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。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(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用陽(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)主要決定于SiC晶粒表面的非晶成分。本實(shí)驗(yàn)表面光電壓測(cè)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。外電場(chǎng)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(shí)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(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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）。此外PLE譜可以把發(fā)光同吸收兩個(gè)方面聯(lián)系起來(lái)，但PLE技術(shù)對(duì)非輻射復(fù)合是無(wú)能為力的。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。每種晶體都有一組特征晶面間距,可用來(lái)標(biāo)識(shí)它的晶體結(jié)構(gòu)。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(lái)需要在高溫下進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程得以在低溫實(shí)現(xiàn)。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(zhǎng)，具有六角對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的納米SiC薄膜。而本征氫化納米碳化硅薄膜（ncSiC:H），[26]。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(shí)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]。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(chǎng)（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。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(shí)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。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(zhǎng)技術(shù)取得了長(zhǎng)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。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(zhǎng)范圍等都不能完全滿(mǎn)足微電子技術(shù)高度發(fā)展對(duì)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(jiàn)光的新要求。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(yáng)能電池和簡(jiǎn)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。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。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(chǎng)以及較寬的能帶結(jié)構(gòu)。 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(guò)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(zhǎng)過(guò)程中引入摻雜劑的原位摻雜方式,個(gè)別用離子注入摻雜。摻雜技術(shù)作為SiC器件的一個(gè)重要工藝，高效、均勻的摻雜仍是目前急需解決的問(wèn)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(mǎn)足要求。測(cè)量了時(shí)間分辨的光電壓信號(hào)和不同偏壓下的時(shí)間分辨光電壓信號(hào)，分析了異質(zhì)結(jié)中光生電子空穴對(duì)的衰減過(guò)程及其與外加電場(chǎng)之間的關(guān)系。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。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(hào)），二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。熒光逸出表面后，經(jīng)會(huì)聚進(jìn)入單色儀分光，此后經(jīng)探測(cè)器接受轉(zhuǎn)變成電訊號(hào)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。從pn結(jié)的形成機(jī)理看，只有當(dāng)外加電壓（場(chǎng)）方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反時(shí)，即以外力破壞原有的動(dòng)態(tài)平衡，使p區(qū)和n區(qū)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)分離開(kāi)來(lái)，才能有外注入電子或空穴，形成回路電流，流過(guò)pn結(jié)的電流滿(mǎn)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。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(duì)將影響原來(lái)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下的內(nèi)部電場(chǎng)，表面電勢(shì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生表面光電壓的變化。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(zhǎng)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。為分析薄膜中晶態(tài)SiC成分，對(duì)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。圖321 不同氫氣條件下樣品的短波長(zhǎng)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(zhǎng)激發(fā)條件下三個(gè)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。 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(duì)所沉積的樣品進(jìn)行了紅外透射測(cè)量，波數(shù)范圍為4004000cm1，分辨率為4 cm1。由圖中可以看出相對(duì)于塊狀晶態(tài)SiC Raman 峰這兩個(gè)譜峰均發(fā)生了非對(duì)稱(chēng)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)。 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(duì)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(duì)(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。用夾心結(jié)構(gòu)可以減少空間電荷，但這時(shí)很難得到可靠的歐姆接觸。 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(duì)不同摻雜比例的薄膜電阻進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)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。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(xiě)成： （）（2） 費(fèi)米能級(jí)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(wú)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。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(jí)附近定域態(tài)之間的Hopping電導(dǎo)。pSinSiC圖443 np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)平衡時(shí)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(shì)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445 室溫下np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)IV曲線與低溫下的對(duì)比圖446 不同偏壓下反向電流的溫度依賴(lài)關(guān)系當(dāng)pn結(jié)處于反向偏壓時(shí)，在p區(qū)n區(qū)分別處于形成耗盡的狀態(tài)，此時(shí)pn上的電壓降很大，但是導(dǎo)通電流卻很小。（2） 摻雜的納米SiC薄膜的電導(dǎo)率在摻雜比例為1％時(shí)，得到最大值接近102 S這種模型提出對(duì)于一定的電流I，通過(guò)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(lái)表示：（）其中KB和T分別為玻耳茲曼常數(shù)和絕對(duì)溫度，I0為正比于異質(zhì)結(jié)的飽和電流的常數(shù)。從正反方向電流的比值(177。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