【文章內(nèi)容簡介】 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。熒光在逸出表面之前會受到樣品本身的自吸收。熒光逸出表面后，經(jīng)會聚進(jìn)入單色儀分光，此后經(jīng)探測器接受轉(zhuǎn)變成電訊號并進(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。光致發(fā)光激發(fā)譜（PLE）是當(dāng)激發(fā)光波長掃描時(shí)測量發(fā)光的發(fā)射強(qiáng)度。它與PL譜不同的是，激發(fā)譜記錄的是一個(gè)選定的某發(fā)射波長的強(qiáng)度隨激發(fā)光波長的變化，這是用以獲得關(guān)于雜質(zhì)缺陷中心吸收和主晶格的基本吸收的一個(gè)傳統(tǒng)方法。此外PLE譜可以把發(fā)光同吸收兩個(gè)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。 薄膜的電學(xué)、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(xué)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(dǎo)帶是空的,Fermi能級處于禁帶之中。在室溫下,價(jià)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(qiáng),理論上應(yīng)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）。在碳化硅中摻入價(jià)態(tài)不同的金屬離子或負(fù)離子,當(dāng)摻雜離子以替代形式占據(jù)晶格中相應(yīng)離子的位置時(shí),由于不符合化學(xué)計(jì)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(gè)束縛作用相當(dāng)微弱,室溫下的熱運(yùn)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(yùn)動,形成 N 型或 P 型自由載流子。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。反之,則可能形成P 型半導(dǎo)體。摻雜碳化硅的電導(dǎo)率σ正比于自由載流子濃度 NC。自由載流子濃度與摻雜濃度密切相關(guān)。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。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。在理論上,載流子濃度最高可以達(dá)到摻雜濃度的 n 倍,其中 n 為摻雜離子與被替代離子的價(jià)態(tài)差。如果將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體通過一定的工藝有機(jī)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(kuò)散運(yùn)動，同時(shí)留下不能移動的正、負(fù)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(yùn)動，隨著擴(kuò)散運(yùn)動的持續(xù)，內(nèi)建電場也隨著加強(qiáng)，即漂移運(yùn)動阻礙擴(kuò)散運(yùn)動的力量即時(shí)地加強(qiáng)，很快這兩種運(yùn)動達(dá)到相互平衡，于是形成處于動態(tài)平衡下的勢壘層即半導(dǎo)體pn結(jié)。這種熱平衡下的pn結(jié)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級（EF）。從pn結(jié)的形成機(jī)理看，只有當(dāng)外加電壓（場）方向與內(nèi)建電場方向相反時(shí)，即以外力破壞原有的動態(tài)平衡，使p區(qū)和n區(qū)統(tǒng)一的費(fèi)米能級分離開來，才能有外注入電子或空穴，形成回路電流，流過pn結(jié)的電流滿足 （）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。同時(shí)實(shí)踐還證明，當(dāng)正向電壓較小時(shí)，外電場力不足以有效克服pn結(jié)內(nèi)電場力對多子擴(kuò)散造成的阻力，只有正向電壓增大到一定值時(shí)，才有明顯的電流流過。對于pn結(jié)具有單向?qū)щ娦?，如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場與內(nèi)電場的方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動的平衡被破壞。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(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）。在一定范圍內(nèi)，外電場愈強(qiáng)，正向電流愈大，這時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。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(kuò)散與漂移運(yùn)動的平衡同樣被破壞。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(qiáng)，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動難于進(jìn)行，同時(shí)加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。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)。本實(shí)驗(yàn)中薄膜的電阻率量是根據(jù)電阻定律，導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長度成正比，與導(dǎo)體的橫截面成反比，即 （）ρ為比例常數(shù)，稱為電阻率或比電阻。本實(shí)驗(yàn)中采用雙探針法測量7059玻璃上的薄膜的電阻，薄膜電阻R可以通過探針兩端的電壓U和流過樣品的漏電流I之比得到，即 （）最終得到電阻率的表達(dá)式： （） 對于碳化硅/硅異質(zhì)結(jié)的IV特性測量，分別在在樣品的正反兩面接電極，加上不同的方向和大小的偏壓，記錄不同偏壓下電流的變化即可得到。本實(shí)驗(yàn)中薄膜電阻率和IV特性的測量均使用了HP100電學(xué)參量分析儀的漏電流和IV特性分析功能，輸入?yún)?shù)后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可由電腦采集，給出結(jié)果。 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。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”。但人們通常用術(shù)語“表面”來表示任何界面。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?，所以在半?dǎo)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?yàn)檫@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]。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。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)生的電子空穴對將影響原來處于動態(tài)平衡狀態(tài)下的內(nèi)部電場，表面電勢發(fā)生變化，從而產(chǎn)生表面光電壓的變化。表面電壓的變同時(shí)化還決定于表面和界面空間電荷層的能帶彎曲的變化決定，其不僅敏感于表面而且敏感于材料的界面[34]。因此表面光電壓技術(shù)可以用于獲得關(guān)于半導(dǎo)體表面和界面的特性，并且這種技術(shù)和半導(dǎo)體表面無接觸，對樣品無污染。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。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(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。為了減小外界噪聲的影響，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)墓怆娖帘?。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。樣品位于銅底座上，銅底座已經(jīng)被聚四氟乙烯與主體的樣品支架絕緣，導(dǎo)電玻璃安裝在一個(gè)線性可移動的螺旋測微儀上，用來調(diào)節(jié)導(dǎo)電玻璃和樣品間的距離。螺旋測微儀的分辨率是1μm。樣品盒裝置如圖242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。實(shí)驗(yàn)過程中的電容耦合，通過軟接觸來實(shí)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(qiáng)度。為了保證儀器的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)前我們通過不同特征譜線的光源和不同響應(yīng)波長的探測器對石英棱鏡單色儀的波長和光強(qiáng)進(jìn)行了定標(biāo)，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。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。 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)。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。但由于其間接帶隙特性，利用外延等技術(shù)所制備SiC發(fā)光器件發(fā)光效率極低。近年來結(jié)合納米材料的量子限制效應(yīng)，納米SiC材料表現(xiàn)出強(qiáng)的短波發(fā)射特性，為其在光通訊、全色顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。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。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?；旌舷嗟乃{(lán)白發(fā)光特征。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)問題。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積是實(shí)現(xiàn)薄膜結(jié)構(gòu)制備的常用技術(shù)，并且這種技術(shù)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(shù)已經(jīng)成功用于Si:H和Ge等納米薄制備。在SiC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)。本章的工作主要采用螺旋波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)嘗試了具有量子限制效應(yīng)的納米SiC薄膜制備，通過X射線衍射、傅立葉紅外透射等技術(shù)對所沉積薄膜的結(jié)構(gòu)、組分進(jìn)行了表征，并采用光致發(fā)光技術(shù)對薄膜的所表現(xiàn)出的紫外發(fā)光特性進(jìn)行了初步分析。 不同氫氣條件下納米碳化硅薄膜的結(jié)構(gòu)特性表31不同氫氣流量變化時(shí)的沉積條件樣品號襯底溫度(℃)外加磁場(gauss)射頻功率（W）沉積氣壓（Pa）沉積時(shí)間（min）SiH4流率（sccm）CH4流率（下部饋入）（sccm）H2流率（sccm）1500200800120602803100圖311不同氫氣流量下的紅外吸收譜（a）60（b）80（c）100 Sccm表31給出了通過改變H2的流量來得到不同的氫氣稀釋比例下的納米碳化硅薄膜的實(shí)驗(yàn)條件。圖311為硅(111)襯底上沉積的納米SiC的傅立葉紅外透射譜?？梢钥闯?，三個(gè)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。1100cm1 處的較小吸收對應(yīng)于CHn鍵的搖擺吸收模式，另外對應(yīng)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。2350 cm1左右處較強(qiáng)的吸收峰是由于樣品測試時(shí)儀器不能很好地扣除空氣中水分子吸收背景所致。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。同時(shí), 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。為分析薄膜中晶態(tài)SiC成分，對此吸收峰進(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。一般的，較窄的洛侖茲紅外吸收反映了薄膜中較小的鍵長和鍵角分布，對應(yīng)晶態(tài)粒子的吸收，而較寬的高斯線型對應(yīng)于非晶態(tài)成分的較大鍵長和鍵角畸變。:1,:1和2:1，說明所沉積薄膜晶態(tài)SiC成分都在50%以上，具有與納米晶硅相似的高晶化度特征.(a)(b)(c)圖312 不同氫氣流量下納米SiC薄膜的SEM形貌圖，氫氣流量分別為（a）60（b）80（c）100 sccm圖313 高氫氣條件下納米SiC的X射線衍射圖圖312給出了薄膜的硅(111)襯底上所沉積SiC薄膜的SEM形貌圖，從圖中可以看出，薄膜主要由納米尺度的顆粒組成，顆粒形貌呈現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)。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。該實(shí)驗(yàn)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。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?？梢钥闯?，176。176。的兩個(gè)衍射峰，與不同晶型 SiC 衍射標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較， 186。 176。衍射峰可分別歸為6HSiC（101）和6HSiC(102)晶面的衍射，176。衍射峰對應(yīng)為6H SiC的(110)面衍射。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。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。為分析薄膜中晶態(tài)的SiC顆粒尺寸，圖313插圖為3040176。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)