（核技术及应用专业论文）sic薄膜的ssmbe外延生长及其结构表征.pdfVIP

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 s i c 作为第三代宽带隙半导体材料，因具有优异的物理化学性能，在高温、 高频、高压、大功率的电子器件以及光电子器件等应用领域中占有重要地位。而 利用固源分子束外延( s s m b e ) 技术外延生长s i c 薄膜，具有其独特的优势。我们 在国内首次利用s s m b e 技术，在s i 单晶衬底上异质外延生长出高质量的 3 c s i c 单晶薄膜，在6 h s i c 单晶衬底上同质外延并生长出基于s i c 同质异构的 量子阱结构，并利用同步辐射、原位r h e e d 以及一些常规的分析测试方法对其 结构、成份、形貌和发光特性进行研究。主要的研究工作及结果如下： 1高温s s m b e 设备的建立和关键部件的研制 参与设计并研制出衬底温度可达1 4 0 0 0 c ，并仍可在超高真空条件下稳定工 作的高温样品架和用于蒸发s i 、c 的电子束蒸发器。该蒸发器具有体积小，设计 简单，装配方便、能稳定蒸发速率及价格低廉的优点。在上述关键部件研制的基 础上，建立了国内首台可外延生长s i c 薄膜的高温s s m b e 系统。这为进一步开 展外延生长s i c 薄膜的研究打下了坚实的基础。 2si 衬底上sic 的异质外延生长及其结构和发光性质研究 系统地研究了在s i 表面异质外延生长3 c s i c 薄膜的过程中，碳化、碳化温 度、生长温度、束流s i c 比、蒸发速率等工艺参数对外延膜质量的影响，并分 别得到了相应的优化参数，最终得到了高质量的3 c s i c 薄膜，其( 1 1 1 ) 衍射双晶 摇摆曲线半高宽仅1 1 。在更高的衬底温度( 1 2 5 0 0 c ) 下，生长得到了6 h s i c 薄 膜。利用r h e e d 和s r p e s 详细研究了c 6 0 在s i 衬底上吸附以及c t , o s i 样品通 过高温退火形成s i c 薄膜的过程。利用同步辐射的x 射线掠入射衍射( g i d ) 得到 了s i c 薄膜不同深度处的结构和应变信息。发现越远离界面，薄膜应变越小，晶 体质量也越好，表明随着远离界面，s i c 和s i 之间的失配造成的影响会越来越小。 结合常规x r d 发现，s i c 薄膜处于二轴张应变状态，是由于晶格失配和热膨胀 系数失配造成的。s i c 薄膜具有不同的倾斜和扭转畸变，前者的角分布宽度大于 中国科学技术大学博士学位论文摘要 后者，是由s i c 晶格的失配位错造成。同步辐射真空紫外光激发的低温光致发光 谱显示3 c s i c 的近带边发射随着s i c s i 薄膜的结晶质量的提高而增强。 3 6 h s i c ( 0 0 0 1 ) 表面的同质外延及同质异构量子阱结构的生长及其 结构和发光性质研究 实现了6 h s i c ( 0 0 0 1 ) 表面重构的新方法，即通过维持或停止s i 束流可实现 同一温度下3 x 3 与3 3 重构可逆转化。该方法得到的3 x 3 重构是高温( 1 3 5 0 k ) 下的3 x 3 重构，与同一温度下的3 3 重构及低温( 1 1 0 0 k ) 3 x 3 重构相比，高温 3 x 3 重构更有利于原子的迁移，对薄膜的生长有利。在s i c 薄膜同质外延生长过 程中，调节s i c 束流比可影响表面的富s i 状态，从而影响表面重构、生长模式 和薄膜晶型。通过调节束流中的s i c 比，可实现先成核后台阶流动的生长模式 并列用该模式生长出6 h s i c 3 c s i c 6 h s i c 的同质异构量子阱结构。常规x r d 结果表明我们生长的同质异构量子阱结构样品的薄膜与衬底阃存在0 3 0 的倾斜 角，薄膜的摇摆曲线半高宽为o 0 9 0 。g i d 进一步证实薄膜与衬底间存在偏角， 样品为6 h s i c 3 c s i c 6 h s i c 量子阱结构，并得出在3 c s i c 的随机成核阶段， 产生的缺陷如孪晶导致薄膜晶体质量变差，而后续的台阶流动生长则会逐步消除 这些缺陷而使晶体质量变好。室温下激光激发的光致发光( p l ) 谱中观察到薄膜在 4 8 0 6 0 0 n m 范围内的有较强的发光，分析表明该发光带是6 h s i c 3 c s i c 6 h s i c 同质异构量子阱结构的发光。计算结果表明，宽的光谱范围可能是由不同宽度的 量子阱造成的。 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tw i d e b a n dg a ps e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l 谢me x c e l l e n tp h y s i c sa n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s w h i c hi sa p r o m i s i n gm a t e r i a l f o rm a n ya p p l i c a t i o n si ne l e c t r o n i ca n do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sw o r k i n gi nv e r y e x t r e m ec o n d i t i o n ss u c ha sh i 班t e m p e r a t u r e ，h i g hf r e q u e n c y , h i g l lv o l t a g e ，h i g h p o w e rd e n s i t ys i cm a t e r i a lw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm o d e ms e m i c o n d u c t o r d e v i c et e c h n o l o g y c o m p a r i n gw i t ht h eo t h e rm e t h o d ，s o l i d s o u r c em o l e c u l a rb e a m e p i t a x y ( s s m b e ) h a su n i q u ea d v a n t a g ei nt h ef i e l do fs i cf i l m sg r o w t h i nt h i st h e s i s ， h i 曲q u a l i t y3 c - s i cf i l m so ns is i n g l ec r y s t a ls u b s t r a t e sa n dq u a n t u mw e l l ss t r u c t u r e b a s e do ns i cp o l y t y p eo n6 h s i cs i n g l ec r y s t a ls u b s t r a t e sa r ef i r s tg r o w nb yu s i n g s s m b ei nc h i n a i ns i t ur h e e d ，c o n v e n t i o n a la n a l y s i sm e t h o d sa n ds y n c h r o t r o n r a d i a t i o n ( s r ) e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e sa r ee m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h es t r u c t u r e ， c o m p o s i t i o n , m o r p h o l o g y , a n do p t i c a lp r o p e r t yo ft h es a m p l e s t h em a i nw o r ka n d r e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g 1 b u i l d i n g u do fs s m b es y s t e ma n dd e v e l o p i n go fi t s k e y c o m p o n e n t s a s a m p l eh o l d e rw i i ht h eh e a t e ro f h i g l lt e m p e r a t u r eu pt o1 4 0 0 。cw h i c hc a n w o r ku n d e rt h ec o n d i t i o no fu l t r ah i g hv a c u u m ( t m v ) s t a b l ya n dt w oe l e c t r o n b e a me v a p o r a t o r s ( e b e lf o rs ia n dcs o u r c e sa r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y t h ee b e h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wp r i c e ， e a s ym a i n t e n a n c e ，a n ds t a b l ef l u x ，e r e b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fs u c hk e y c o m p o n e n t s ，t h ef i r s th i g ht e m p e r a t u r es s m b es y s t e mi nc h i n af o rs i cf i l m s g r o w t hh a sb e e nb u i l tl l p ，w h i c hp r o v i d et h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rs i cf i l m g r o w t h 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t 2 h e t e r oe p i t a x yo fs i cf i l m so ns is u b s t m t ea n di n v e s t i g a t i o no f t h e i rs t r u c t u r ea n do p t i c a lp r o p e r t i e s d u r i n gt h ep r o c e s so fh e t e r oe p i t a x yo f3 c s i cf i l m so ns is u b s t r a t e ，t h e e f f e c t so fg r o w t hp a r a m e t e r s ，s u c ha sc a r b o n i z a t i o no fs is u r f a c e ，c a r b o n i z a t i o n t e m p e r a t u r e ，g r o w t ht e m p e r a t u r e , s i cf l u xr a t i o ，a n df l u xr a t eo nt h eq u a l i t yo f s i cf i l m sa r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e da n dt h e l i g hq u a l i t y3 c - s i cf i l m sh a v eb e e no b t a i n e d t h ef w h mo fx r dr o c k i n g c u r v eo f3 c s i c ( 111 ) d i f f r a c t i o no ft h es a m p l ew h i c hw a sg r o w na tt h e o p t i m i z e dg r o w t hp a r a m e t e r si so n l y1 1 。w i t hh i g h e rs u b s t r a t et e m p e r a t u r e ( 1 2 5 0 0 c ) ，t h eh e t e r oe p i t a x yo f6 h s i cf i l m so ns is u b s t r a t ea r ep e r f o r m e d s u c c e s s f u l l y t h ea d s o r p t i o no fc 6 0o ns is u r f a c ea n dt h ep r o c e s so fa n n e a l i n g t o f o r ms i ca r ei n v e s t i g a t e db yi n s i t ur h e e da n ds r p e si nd e t a i l s rx - r a y g r a z i n gi n c i d e n c ed i f f r a c t i o n ( g i d ) e x p e r i m e n t sa r ce m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h e i n f o r m a t i o no fs t r u c t u r ea n ds t r a i no fs i cf i l m sg r o w no ns is u b s t r a t ew i t h d i f f e r e n td e p t h t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r a i no ft h es i cf i l md e c r e a s e sa n d t h ec r y s t a l l i n eq u a l i t yo ft h es i cf i l mb e c o m e sb e t t e r 、而mt h ed e p t hf r o mt h e s i c s ii n t e r f a c et ot h ei n t e m a lo ft h ef i l m t h i sp h e n o m e n ai n d i c a t e st h a tt h e i n f l u e n c e so fm i s f i t so fl a t t i c ea n dt h e r m a le x p a n dc o e f f i c i e n tb e t w e e ns i cf i l m a n ds is u b s t r a t eu p o nt h ef i l mq u a l i t yb e c o m es m a l l e rw i t ht h ed e p t hd e p a r t i n g f r o ms i c s i n t e r f a c e t h er e s u l t so fg i da n dx r ds h o wt h a tt h es i cf i l m sa r e u n d e rb i a x i a lt e n s i l es t r a i nw h i c hi sc a u s e db ym i s f i to ft h et h e r m a le x p a n d e o e m c i e n tb e t w e e ns i cf i l ma n ds is u b s t r a t e mf i l mh a sd i f f e r e n tt i l tm o s a l e a n dt w i s tm o s a i c t h ea n g l ed i s t r i b u t i o no ft h ef o r m e ri sl a r g e rt h a nt h a to ft h e l a t t e r w ea t t r i b u t ei tt ot h em i s f i td i s l o c a t i o n p h o t o l u m i n e s c e n e ee x c i t e db y v a c u u mu l t r av i o l e tl i 曲to f s ri su s e dt oi n v e s t i g a t et h eo p t i c a lp r o p e r t i e so f t h e s a m p l e s t h er e s u l t si n d i c a t et h el u m i n e s c e n c eb e c o m e sm o r ei n t e n s ew h e nt h e c r y s t a l l i n eq u a l i t yo ft h ef i l m sb e c o m e sb e t t e r 中国科学技术大学博士学位论文a b s t r a c t 3 ，h o m o e p i t a x ta n dr e s e a r c ho l tt h eg r o w t h ，s t r u c t u r ea n do p t i c a l p r o p e r t i e s o fs i c p o l y t y p eq u a n t u m w e l l so n 6 h s i c ( 0 0 0 1 ) s u b s t m t e an e wa p p r o a c ht oo b t a i nt h er e c o n s t r u c t i o no fs i c ( 0 0 0 1 ) s u r f a c ei s d e v e l o p e d t h e3x3a n d 3x 3 r e c o t t s t r u c t i o nc a l lb eo b t a i n e da n d t r a n s f o r mr e v e r s e l yb ym a i n t a i n i n go rc u t t i n gs if l u x t h e3x3r e c o n s t r u c t i o n o b t a i n e db yt h i sa p p 懈hi sa th i g h - t e m p e r a t u r e c o m p a r i n gw i t ht h e 3x 怕 r e c o n s t r u c t i o ns u r f a c ea tt h es a n l et e m p e r a t u r e ，t h ed i f f u s i o no ft h ea t o m so l lt h e 3 x 3r e c o n s t r u c t i o ns u r f a c ea r em o r ea c t i v e ，w h i c hi se o n v e n i e r df o rt h ef i l m g r o w t h d u r i n gt h eh o m o e p i t a x i a lg r o w t h o n6 h s i c ( 0 0 1 ) ，t h es u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n s ，t h eg r o w t hm o d ea n dt h ep o l y t y p eo ff i l mc a nb ei n f l u e n c e db y v a r y i n gt h es i cf l u xr a t i o t h ep - n u c l e a t i o nf o l l o w e db ys t e pf l o wg r o w t h m o d ec a nb ep e r f o r m e db yc h a n g i n gt h es i cf l u xr a t i oa n dt h e 6 h - s i c 3 c s i c 6 h s i cq u a n t u mw e l l ss t r u c t u r ei so b t a i n e dw i t ht h i sg r o w t h m o d e x r dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ea r eat i l ta n g l e0 3 。b e t w e e nt h ef i l ma n d t h es u b s t r a t e t h ef w h mo f t h er o c k i n gc l f f v eo f s i c ( 1 1 1 ) d i f f r a c t i o ni so 0 9 。 t h er e s u l t so f g i dc o n f i r mt h e6 h - s i c 3 c s i c 6 h - s i cq u a n t u mw e l l ss t r u c t u r e o ft h eh o m o e p i t a x i a lf i l ma n di n d i c a t et h a tb e c a u s eo ft h ed e f e c t si n t r o d u c e db y t h er a n d o mn u c l e a t i o no f3 c - s i c ，t h ec r y s t a l l i n eq u a l i t yd e g r a d ed u r i n gt h e n u c l e a t i o no f3 c s i co nt h e6 h s i cs u r f a c e w h l i et h ed e f e c t sa r ee l i m i n a t e d g r a d u a l l ya n dt h ec r y s t a l l i n eq u a l i t yi si m p r o v e dd u r i n gt h ep r o c e s so ff o l l o w i n g s t e pf l o wg r o w t h p le x c i t e db yh e c dl a s e rw i t h3 2 5 n ma tl o o mt e m p e r a t u r ei s u s e dt oi n v e s t i g a t et h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h es a m p l e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e r ea r ei n t e n s ee m i s s i o n si nt h er a n g eo f4 5 0 - 6 0 0 n m w ea t t r i b u t ei tt ot h e l u m i n e s c e n c eo ft h e6 h - s i c 3 c s i c 6 h - s i cq u a n t u mw e l l s t h ec a l c u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ew i d er a n g eo fs p e c t r u mi sp r o b a b l yc a u s e db yt h ed i f f e r e n t w i d t ho f q u a n t u mw e l l s 中国科学技术大学博士学位论文 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何 他人已经发表或撰写过的研究成果城一同工作的同志对本研究所 做的贡献均已在论文中作了明确的说明 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保京汇编学位论文 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 作者签名：童j 金撵 加田年8 月8 日 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 历史上，半导体技术大大推动了科学和生产的发展，反过来，科学与生产的 进一步发展又对半导体技术提出了新的更高的要求，而这些要求集中地反映在对 先进半导体材料的需求上面。在科学技术和生产生活高度发展的今天，这种需求 更加迫切。首先，特殊的应用环境如工业窑炉、汽车引擎、电力设施、雷达通信、 航空航天、地质勘探、核能设备等，要求半导体器件能在高温、高频、高电压、 大功率、强辐射等恶劣条件下稳定工作【1 , 2 1 ；其次器件小型化和高速化要求将导 致器件的集成度提高、结构尺寸降低、功率密度增大，这就对材料的耐击穿、抗 干扰及高频、高温、散热等性能提出了更高的要求。 以g e 、s i 等元素半导体为代表的第一代半导体材料和以g a a s 、i n p 等化合 物半导体为代表的第二代半导体材料难于满足上述新的要求：它们的禁带宽度较 小，当温度较高时，热载流子浓度超过由掺杂引起的杂质载流子浓度，从而器件 不能正常工作；这些材料的临界击穿场强低，不能经受高的电压或进一步降低器 件结构尺寸；这些材料的热导率比较低，不利于器件的散热，限制了其在功率器 件中的应用：另外，这些材料的化学稳定性、抗于扰和抗辐射的能力也一般。因 而，这些局限性使得这些材料难以在高于2 5 0 的环境下工作，特别是当高的工 作温度与高频、大功率及强辐射条件共存时，以这些材料制作的器件将无法“胜 任”1 3 1 。 以s i c 、g a n 、a i n 、b n 、金刚石等为代表的第三代半导体因具有优良的物 理、化学性质如宽带隙、高热导率、高结合能、高临界击穿场强、高电子饱和漂 移速率等，特别适合制作高密度集成的微电子器件和工作在高温、高频、高压、 大功率、强辐射等极端条件下功率电子器件，以及用于高密度存取的短波长光电 子器件。 与同是第三代半导体的g a n 、b n 、金刚石等相比，s i c 具有更强大的优势： 首先，s i c 单晶技术和外延技术相对成熟，而g a n 、b n 、金刚石等目前还不能 获得较好的单晶9 1 ；其次，在目前研究的化合物半导体中，s i c 是唯一能够通过 直接氧化形成s i 0 2 绝缘介质层的材料f 5 】，这一性质对于电路和器件特别是各种以 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 m o s ( m e t a l o x i d e - s e r a i e o n d u c t o r ) 为基础的器件的制作是极为有利的，可以最大限 度地与成熟的硅工艺相兼容1 3 ，6 1 ；再次，s i c 的p 型或n 型掺杂都很容易得到， 且许多金属可与s i c 形成良好的欧姆( o h m ) 接触和肖特基( s c h o t t k y ) 接触【3 1 ，利于 制作多种s i c 器件，s i c 的致密性可有效阻止金属在其中的扩散，对器件的稳定 性和使用寿命也极为有利；最后，也是最特别的地方，s i c 具有丰富的多型结构， 多型结构的差别仅在于一维方向的堆垛次序不同，但物理和电学性质如禁带宽度 差别很大，可以利用这种性质制作无晶格失配、无热失配、无界面缺陷的同质异 构结构或超晶格量子阱结构，有可能克服间接带隙的缺点，用于制备高电子迁移 率管( h e m t ) 、共振隧道二极管( r t d ) 、量子阱内子带跃迁和阱问共振隧穿的量子 级联激光器( q c l s ) 和探测器等新奇器件0 】。 s i c 除了在电子器件方面可以发挥巨大作用外，在光电子器件中也是可以大 有作为的。s i c 半导体对紫外光有着良好的吸收和响应，因而可以制作紫外光的 光探测器【1 ，3 ，1 15 1 。s i c 还可以制作发光器件。虽然s i c 是间接带隙材料，本征发 光效率很低，但它的杂质和缺陷却有着良好的发光性能，因而可以用来制作高亮 度、长寿命、高效节能的发光器件。s i c 不同晶型的带隙分布较宽( 2 3 3 3 e v ) ， 再加上各种各样的缺陷、杂质、异质结构等，发射谱可以覆盏红外可见甚至紫 外光范围，常用来制作蓝、缘光发光二极管，全色光( 白光) 的照明光源，或者制 作用于高密度存储的短波长激光器件, 9 , 1 0 , 1 3 , 16 】。另外，s i c 与a i n 、g a n 、b n 等 晶格和热膨胀相匹配，黏附性好，容易形成良好的半导体界面( a i n 、g a n 与6 h s i c 的晶格失配分别为1 和3 ) ，而a i n 、g a n 等材料都是直接带隙材料，是良好 的发光材料。然而，目前这几种材料还没有有效的方法得到大尺寸的单晶圆片， s i c 便成为这些高效的发光材料的最理想衬底 i , 1 7 , 1 8 】。 s i c 还是制作微机电系统( m e m s ) 、宇航用光学反射镜的良好材料1 蚰2 1 。 s i c 半导体性能优异，应用潜力巨大，以至美国一位专家说道：“具有讽刺意 味的是，这种材料来自外星，但正是它能帮助我们飞离地球”1 2 3 1 。在未来的半 导体发展中，s i c 将逐渐成为半导体材料的新的主角。 2 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 1 1s i c 的结构、性质、器件和应用 1 1 1s ic 的晶体结构和多型性 s i c 是元素周期表中第1 v 主族元素中唯一一种可以以确定的化学配比在常 态下稳定存在的固态化合物1 9 1 。构成s i c 的两种原子s i 和c ，都以印3 杂化成键， s i 和c 原子为最近邻原子，其中心距离为o 1 8 9 n m ，每种原子被四个异种原子所 包围，形成四面体配位的碳硅四面体和硅碳四面体单元，见图1 1 。 通过四面体顶点和重心有四个三次对称轴，取其中一个为c 轴。将四面体在 平面内无限排列( 四面体公用底边的三个同种原子) ，得到三个垂直于c 轴的原子 阵列的平面。这三个平面的上的原子分别是c s i ，c 或者s i c s i ，这三个层的问 距是不等，其比值为1 ：3 ，间距小的两个原子层s i c 或者c s i 称为一个碳硅双 层。s i c 的晶体结构就是这些双层无限的排列( 如图1 2 ) 。原子的不同和原子层间 距的不等，导致碳硅双层存在极性，这种极性由于原予层的排列被延续下去，最 终导致晶体存在极性，c s i 双层和s i c 双层没有本质的区别，仅仅是它们的极 性取了相反的方向。这种极性对单晶的表面有很大影响，会导致表面的结构与表 面的处理工艺不同。 s | i cm o m 图l 一1c s i 键及c s i 四面体图l 一2c s i 双层及其排列 由于碳硅双层排列的不同，s i c 可以形成多种构型，如闪锌矿结构、纤锌矿 结构和菱形结构等等。这种在化学计量成分相同情况下具有不同的晶体结构的现 象称为同质异构多型现象。s i c 可以存在一个闪锌矿纤锌矿结构族，这个结构族 由相同的基本结构层( 碳硅双层) 构成，差别仅仅在于它们的排列次序不同。许多 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 无机物如硫化锌、磷化镓、氮化铝、氮化镓也具有这种特性，而尤以s i c 的这种 结构特点最为显著 6 , 8 - 1 0 。 碳硅双层可以作为一个统一原子平面阵列来考虑，相似于圆球密排，双层的 无限叠加有着三种不周的位子：a 、b 和c ( 如图1 3 ) 。如果碳硅双层按 a b c a b c a b c 的方式排列，则形成立方碳化硅，一般称为3 c - s i c ，为闪锌 矿结构，属于2 1 7 号空问群巧f 4 3 m 。若按a b a b a b 的方式排列，则形成 了完全六方的碳化硅，一般称为2 h s i c ，为纤锌矿结构，属于1 8 6 号空间群 c ：- p 6 3 m c 。碳硅双层还能按其他方式排列，若以a b c b 作为一个周期无限排列 下去，则形成一种新的六方s i c ，称为4 h s i c ，属于1 8 6 号空间群c 刍- p 6 3 m c ： 若以a b c a c b 作为一个周期无限排列下去，贝f j 形成的另一种新的六方s i c ，称 为6 h s i c ，也属于1 8 6 号空间群醴p 6 3 r a g ；若以a b c a c b c a b a c a b c b 作为 一个周期无限排列下去，则形成三角晶体，称为1 5 r - s i c ，属于1 6 0 号空间群 c 三- r 3 m 。这里使用的是z d a n o v r a m s d e l l 命名法【6 】。数字表示了一个晶格周期 内碳硅双层的数目，中间的字母表征晶型的对称性。立方对称( 空问群) 用字母c 表示，六方对称( 空间群) 用h 表示。对三角晶体，属于空间群r 3 m 的，使用r 表示；属于空间群p e m 的，也是用h 表示，因为这两种三角晶体结构分别具有 原始的菱面体( r ) 和六方平行六面体结构0 - i ) 。一般将闪锌矿结构即立方的s i c 称 为? - s i c ，其他多型体统称为a - s i c 。 4 主曼型兰垄查查兰堡主兰垡堡苎 苎二兰堕堡 图1 3 三种不同位置 3 c4 h6 h ( a )( b ) 图l _ 4 三种不同常见晶型的碳硅双层排列示意图 a ) 3 c - s i cb ) 4 h - s i cc ) 6 h s i c 图1 - 5 三种常见s i c 晶型的晶体结构图 5 c 墓 c 嚣 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 目前已被证实的s i c 多型体已超过2 0 0 余种1 1 ，3 ，6 9 ，10 1 ，2 h s i c 在低于4 0 0 c 的温度下会转化为其他多型体，表现为结构不稳定；3 c 、4 h 、6 h 是s i c 晶体的 三种最稳定、最常见，也是最有用的三种晶型【6 ，9 1 。它们的晶体排列示意图和晶 体结构图分剐如图1 4 和图1 5 。 晶体结构的不同使s i c 多型体具有不同的半导体特性，如3 c s i c 的禁带宽 度仅为2 3 6 e v ，6 h - s i c 的为3 0 c v ，而4 h s i c 的则高达3 2 3 e v ，差别非常大。 而s i c 的不同半导体特性也是有规律的。考察碳硅双层的相邻排列，其结构可以 分为类似于立方( c ) 或六方结构的任一种密堆积( 如图1 - 6 ) ，从前面的碳硅双层 的捧列还可以看出，除了3 c s i c 和2 h - s i c 分别仅含有纯的立方和六方密堆积外， 其他晶型都是立方和六方密堆积的混合，这种混合可以用立方或六方密堆积含量 的百分比来定量表征。一些物理性质和这种百分比是紧密相关的。如s i c 各晶型 的禁带宽度就与这个百分比有密切的关系( c h o y k e - h a m i l t o n p a t r i c kr e l a t i o n ) 7 刎，如图1 7 。 鞋bo 蛔 立方( b ) 排列。( b ) 中，底面上三个c 原子 相对顶面上的三个s i 原子旋转了6 0 。； 而f a l 中朱旋转 图1 7s i c 的禁带宽度随晶型中六方含量的变化。 s i c 晶体存在一些重要的晶向和晶面，通常这些方向和晶面具有较高对称 性，单晶片通常沿这些特殊方向或特殊晶面切割，许多测试手段尤其是衍射手段 得到的是这些特殊方向和特殊晶面的信息。图1 - 8 示出了六方型s i c 和立方型 s i c 晶胞的重要晶向和重要晶面。晶体的表面与晶体内部由于晶格周期性的中断 6 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 而改变原来的晶格排列。形成所谓的表面再构，不同s i c 表面具有非常不同的再 构特征，但不同晶型间的类似( 等价) 表面常有相似的再构，如3 c s i c ( 1 1 1 ) 是密排 面，与六方s i c 的密排面如4 h s i c ( 0 0 0 1 ) 和6 h s i c ( 0 0 0 1 ) 面等价，它们常有类似 的重构，如s i c ( 0 0 0 1 ) sa 3 x 3 重构。其中， 3 3 】表示表面再构的周期排列的晶格 参数是相应体内晶格参数的3 倍，中间下标s i 表示为s i 极性面，一般略去，由 ( 0 0 0 z ) 面表示s i 极性面，( o 0 0 1 ) 面表示c 极性面( 如图1 - 2 ) 。研究表面及其再构 对晶体的生长和外延以及器件制作有着重要的意义i 矧。 l 0 0 0 t 一c 3 c - s i c 图1 - 8 晶胞图 1 1 2s i c 半导体的同质异构结构 由于s i c 半导体的不同晶型的禁带宽度差别较大，因而可以用来制作新型的 半导体结构同质异构结构，包括异构结、量子阱和超晶格。 1 1 2 1 异质结与异构结 通常提到的p - n 结是由导电类型相反的同种半导体材料接触形成的，称为同 质结。由两种不同的半导体接触形成的半导体结称为异质结。 由于形成异质结的两种半导体的禁带宽度、介电常数、折射率、吸收系数等 物理参数不同，异质结表现出许多同质结所无法比拟的优点 2 6 1 ：在光学上有窗 口效应、波导效应，在电学上有单向注入效应和对注入载流子的空间定域限制效 7 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 应等。窗口效应和波导效应可以减少光的损耗，从而可以降低激光器的阙值电流 密度，提高激光器的效率；单向注入效应可以提高载流子的注入效率，降低阈值； 对注入载流子的空间定域限制效应可以提高增益，还可以提高器件的响应速度。 w b 肖克莱发明晶体管时就曾设想利用异质结宽带隙发射极单向注入的特点来 提高发射极的注入比，从而获得晶体管更大的电流放大系数。1 9 6 9 年，第一次 制成半导体异质结激光二极管，此后，异质结的研究备受重视。 形成异质结的关键在于结两侧的半导体材料具有不同的禁带宽度。而如果形 成p - n 结的半导体是同种材料但不是同一晶体类型，而不同晶型间禁带宽度有差 别，也具有异质结的特性和优点，这种p - n 结称为异构结。s i c 多型的禁带宽度 差别很大，因而可以实现这种异构结。 一个良好的异质( 构) 结要求有小的界面态密度，高的界面态密度会使异质结 的电学性质劣化，这是许多异质结常常面临的问题【2 6 1 。形成异质结的两种材料 的晶格失配和热失配会在界面产生大量的悬挂键，甚至还有材料的化学不相容 性，这将导致形成大量界面态，使异质结质量和性能变差。而s i c 多型体之间仅 是一维方向上堆垛方式的不同，因而可以形成没有晶格失配的界面，不会造成悬 挂健；多型间亦无热膨胀系数失配，不会因温度变化而引入界面缺陷：化学成分 又相同，属于同质生长。利用s i c 多型体制作异构结是非常理想的。 1 1 2 2 量子阱，超晶格 多层异质结称为异质结构。量子阱是一种特别的异质结构。一层薄膜半导体 ，夹在两层阻挡层之间形成三明治结构，当夹层的尺寸小于电子或者空穴的平均自 由程时，由于材料能带结构的不同，夹层材料的电子或空穴将被限制在夹层内， 好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形象地称为“量子阱”。 量子阱结构由于限域性和对称性的影响，能量状态与体材料很不相同。由于 量子局域效应，夹层中的电子不再是原来宏观晶体时的能带结构，而形成分立的 能级，能级间隔与量子阱的厚度有关，因而通过改变量子阱的厚度，可以改变器 件的激射波长；局域效应的存在，还能克服间接带隙发光效率低的缺点，有望将 问接带隙半导体转变为发光效率较高的发光半导体。因而量子阱结构特另i j 适合制 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 作激光器件。 上述三明治结构的量子阱是单量子阱，此外，还有多量子阱。两种半导体交 替生长，形成周期性的多层结构，如果作为势垒的阻挡层足够厚，两个相邻势阱 中的电子波函数不能互相耦合或者耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子 阱，这种结构便称为多量子阱结构。 如果周期结构的势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，这种结构称为超晶格。 超晶格中，电子跨越势垒重又实现全域化，类似于晶体中，电子受到多层结构周 期势的作用，原来在各量子阱中分立的能级将又扩展成能带( 子能带) 。而超晶格 的周期一般比正常晶体的周期( 即材料的晶格常数) 大得多，因而超晶格的布里渊 区比晶体的布里渊区小的多，于是，正常晶体的布里渊区沿c 轴被分割成许多微 小的布里渊区。在每一个微小布里渊区中，超晶格的电子能量与波矢的函数关系 是准连续的，而微小布里渊区之间，由于布里渊边界的反射，函数发生跃变，于 是形成一个个小的能带，即前面指出的子能带。子能带的宽度和位置与周期势势 阱的深度、宽度及势垒的厚度有关。 s i c 多型特性，使得