（材料物理与化学专业论文）宽带隙立方氮化硼薄膜的制备与掺杂研究.pdf

摘要 摘要 立方氮化硼( c u b i cb o r o nn i t r i d e ，c b n ) 是具有优异物理化学性质的超硬材 料和宽带隙半导体材料。它的硬度和热导率仅次于金刚石，高温抗氧化能力强， 而且对铁族金属有良好的化学惰性，所以c b n 是优良的刀具、磨具材料，高温 高压方法生产的c b n 单晶颗粒已经在机加工行业得到重要应用。立方氮化硼更 诱人的应用潜力来自半导体属性。它具有最宽的禁带宽度( e 产6 3 - t - 0 2 e v ) ，可 以实现p 型和n 型掺杂，以及与金刚石相近的机械性能，这些对于制造高温、大 功率、抗辐射和用于恶劣环境工作的电力电子器件及短波长光发射及探测极有意 义，立方氮化硼因此格外引入注目。 由于高温高压方法只能制备出尺寸微小的c b n 晶粒，而在制作刀具涂层以 及电学、热学、光学器件等方面，需要用到大面积的c b n ，高温高压还难以满足 这些需要。随着薄膜科学与技术迅速发展，人们对低成本制备大面积c b n 薄膜 产生了极大兴趣，纷纷展开相关研究，以充分发挥c b n 的优异性能。本文的工 作从这一背景出发，包括c b n 薄膜制备和掺杂两大部分，获得了外延生长的高 质量c b n 薄膜，并实现了薄膜的p 型和n 型掺杂。 薄膜制备采用了三种系统：射频溅射系统( r fs p u t t e r i n g ) ，射频磁控溅射系 统( i 疆m s ) 和微波电子回旋共振化学气相沉积( e c r - c v d ) 系统。研究了射 频溅射系统制备c b n 薄膜时，衬底偏压和衬底温度的影响。确定了立方相形成 阈值，分别是1 5 0 v 和3 0 0 。在最优的偏压( 2 l o v ) 和衬底温度( 5 0 0 ) 下， 制备出立方相含量最高为7 6 的c b n 薄膜。另外，采用射频溅射系统研究了两 步法沉积e b n 薄膜。结果显示，两步法和一步法得到的薄膜中立方相含量相近， 但两步法制备的薄膜内应力较小，粘附性较高，可在较长时间内不剥落。对该射 频溅射系统进行分析后，认为它用于e b n 薄膜制备存在明显不足，如衬底温度 有限( 5 0 0 ) ，极限真空有限( 一1 0 4p a 1 0 由t o r r ) 。射频匹配网络和真空系统 不够稳定。这些问题影响了薄膜质量的进一步提高，制备重复性也受到影响。 射频磁控溅射系统和e c r - c v d 系统制备e b n 薄膜表明，由于这两种系统 有较好的性能，可以采用更优化的制备条件，在硅衬底上沉积了更高质量的c b n 薄膜。其中e c r - c v d 结合氟化学机制更是大幅提高了c b n 薄膜的质量。氟对 非立方相有选择性刻蚀作用，使得立方相的形核和生长可以在更低偏压下进行， 因此可以提高立方相含量，并降低薄膜应力，薄膜的结晶度和厚度可大大提高， 薄膜可用r a m a n 和x r d 进行有效表征，由此能估算出薄膜内的晶粒尺寸。 为了进一步提高c b n 薄膜质量，采用了与c b n 晶格匹配良好的金刚石薄膜 做衬底，分别用r f m s 系统和e c r - c v d 系统制备得到立方含量近1 0 0 的外 延c b n 薄膜。金刚石薄膜由微波c v d 制备。高分辩透射电镜观测表明在金刚石 摘要 衬底上生长的c b n 薄膜具有明显的外延生长特征。立方氮化硼直接生长于金刚 石上，中间没有a b n t b n 的孕育层，c b n 与金刚石衬底结合牢固，不会剥落。 其中e c r c v d 系统又明显优于磁控溅射系统。前者制备的多晶c b n 薄膜有更 好的结晶度，薄膜厚度可达数微米，对实现c b n 薄膜的电学和机械应用有重要 意义。 通过对高质量c b n 薄膜的表征，探讨了溅射法和e c r c v d 制备c b n 薄膜 的机理。对磁控溅射系统制备的c b n 薄膜表面微结构进行分析，说明其中的立 方相是在表面以下成核、生长的，符合亚注入模型的生长机制。e c r - c v d 制备 c b n 薄膜是表面生长，原因是在生长过程中有氟化学作用。后者由于可以显著提 高薄膜质量，对应用而言更有希望。 对c b n 薄膜进行了离子注入掺杂，以铍( b e ) 和硫( s ) 作为掺杂剂，分别 获得了c b n 薄膜的p 型和n 型掺杂。本部分工作在国际上具有一定开创性。 对射频溅射系统制备的本征c b n 薄膜采用b e 离子注入，结合高温热退火处 理，使薄膜电阻率下降6 个数量级。霍尔效应测试表明薄膜呈p 型导电，迁移率 为l 钆2 8c m 2 v s ，载流子浓度1 0 1 9 1 0 2 0c m 弓。在n 型硅片上制备c b n 薄膜， 用b e 离子注入进行p 型掺杂，得到了p - b n n s i 异质结。该异质结有明显的整 流特性，整流比约为2 0 0 。由于薄膜内存在浅能级陷阱，表面i - v 测试反映有空 间电荷限制电流存在。异质结正向特性拟合方程与a n d e r s o n 异质结模型和理想 二极管正向特性近似，它们的差异说明该异质结的传输机制不是扩散机制。 对r f m s 系统制备的纳米c b n 薄膜和e c r - c v d 系统制备的多晶c b n 薄膜 进行b e 和s 离子注入，分别实现了p 型和n 型掺杂。霍尔效应测试验证了导电 类型，并获得了迁移率( b e ：3 3 1 2 c m 2 v s ；s ：3 8 4 e m 2 v s ) 、载流子浓度( 1 0 1 7 1 0 1 8 c m o ) 、电阻率等电学特性参数。对掺杂的薄膜进行了变温电阻测量，计算得 到注入离子的激活能。铍注入的多晶c b n 薄膜的迁移率( 3 c m 2 n s ) 及离子的激 活能( o 2 e v ) 与b e 掺杂的单晶c b n ( 2 c m 2 v s 和0 2 3 e v ) 接近，其激活率( 4 ) 与硼注入的多晶金刚石薄膜( 1 ) 接近。注入纳米c b n 薄膜中的b e 离子激活 能( 0 2 7 e v ) 略大于注入多晶c b n 薄膜的b e 离子( 0 2 e v ) ，这与纳米c b n 薄膜 中有更多的晶界和缺陷有关。对c b n 而言b e 是浅能级杂质。 研究认为离子注入是实现c b n 薄膜掺杂的有效工艺，而且注入剂量和能量 显著影响薄膜的电学特性。要获得较好的掺杂效应需要合适的剂量和能量，较大 的剂量将显著改变薄膜的电学性能，易于得到明显的掺杂效应，而较低的能量下 注入的离子由于离子分布较为均匀而激活率较高。 关键词立方氮化硼薄膜；外延生长；离子注入；掺杂；霍尔效应 1 1 a b s t r a c t a b s t r a c t c u b i cb o r o nn i t r i d e ( c b n ) i sas u p e r h a r da n dw i d eb 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 、析t l l o u t s t a n d i n gp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s t h ec b nc r y s t a l s y n t h e s i z e db yh i g h - p r e s s u r eh i 曲一t e m p e r a t u r e ( h p h d m e t h o dh a sb e e nt h e i m p o r t a n tm a t e r i a lf o rc u t t i n ga n dm i l l i n gt o o l sb e c a u s eo fi t se x t r e m eh a r d n e s sa n d t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , w h i c ha r eo n l ys e c o n dt od i a m o n d ，e x c e l l e n to x i d a t i o n r e s i s t a n c ea th i 曲t e m p e r a t u r ea n dt h ec h e m i c a li n e r t n e s st of e r r o u sm a t e r i a l s c u b i c b nh a sm o r ea t t r a c t i v ep o t e n t i a lp r o p e r t i e sa saw i d eb a n dg a ps e m i c o n d u c t o r m a t e r i a lf o ri th a s ，e x c e p tf o ri t sg r e a tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h ew i d e s tb a n dg a p ( 皆6 34 - 0 2e v ) a n dc a n b ed o p e df o rb o t hn a n dp - t y p ec o n d u c t i v i t y s o ，c b ni sa v e r yp r o m i s i n gm a t e r i a lf o rf a b r i c a t i o no fh i g hp o w e ra n dh i g h t e m p e r a t u r ed e v i c e s o p e r a t i n gi nh a r s he n v i r o n m e n ta n ds h o r tw a v e l e n g t he m i t t e ro rd e t e c t o r t h es i z eo fh p h ts y n t h e s i z e dc b n c r y s t a l si st o os m a l lt om e e tt h ed e m a n d so f t h es i t u a t i o n sw h i c hr e q u i r eal a r g ea r e a , s u c ha se l e c t r i c a ld e v i c e sa n dc o a t i n go n c u t t i n gt o o l sa sw e l l t of u l l ye x h i b i tt h ee x c e l l e n tp r o p e r t i e so fc b n ，t h e r ea r em o r e a n dm o r er e s e a r c hi n t e r e s t i n gi nd e p o s i t i n gc b nf i l l sa tl o wp r e s s u r ea n dl o w t e m p e r a t u r es i n c et h eg r e a td e v e l o p m e n t so ft h i nf i l ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a d b e e nd o n e i nt h i sw o r k , b a s e do nt h eb a c k g r o u n da b o v e ，t w op a r t so np r e p a r a t i o na n d d o p i n go fc b nf i l m sa r ei n v o l v e d t h eh e t e r o e p i t a x i a lc b n f i l m sa r eo b t a i n e da n d d o p e df o rb o t hp a n dn - t y p e t h ec b nf i l m sa r ed e p o s i t e db yt h r e ek i n d so fs y s t e m s ：r a d i of r e q u e n c y ( r f ) s p u r e r i n g ，r fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ( r f m s ) a n de l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e m i c r o w a v ep l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( e c r - c v d ) r fs p u t t e r i n gi st h ef i r s t e m p l o y e dt os t u d yt h ed e p o s i t i o no fc b n t h et h r e s h o l d s o fs u b s t r a t eb i a sa n d t e m p e r a t u r ea r ef o u n dt ob e 一15 0v a n d3 0 0 r e s p e c t i v e l y t h ef i l mw i t l lc u b i cp h a s e f r a c t i o no f7 6 i sp r e p a r e d 、析1t h eo p t i m i z e db i a so f - 210va n dt e m p e r a t u r eo f 5 0 0 i ti sc o n f i r m e dt h a tt h et w o s t e pp r o c e s s 、) l ，i lr fs p u r e r i n gc a np r o d u c et h e f i l mw i t ht h eb e t t e ra d h e s i o nw h i c hd u et ot h el o w e rs t r e s si nt h ef i l m t h e r ea r e s e v e r a lf a c t so ft h er fs p u t t e r i n gs y s t e ms h o u l db ei m p r o v e df o rd e p o s i t i o no fe b n t h eh e a t e ri nt h es y s t e mc a n o n l yp r o v i d et h es u b s t r a t et e m p e r a t u r eo f5 0 0 a n d t h e u l t i m a t ev a c u u mi sa b o u t10 qp a 10 由t o r rw h i c ha r en o tg o o de n o u g h t h em a t c h i n g n e t w o r ka n dv a c u u ms y s t e ma r en o ts t a b l ee n o u g hf o re n h a n c i n gt h eq u a l i t yo fc b n a n dt h e yd a m a g et h er e p r o d u c i b i l i t ya sw e l l t h es t u d yb ye m p l o y i n gr f - 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c v d f l u o r i n e c o n t a i n i n gs p e c i e sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l e i n t h i ss u r f a c ec v dg r o w t h f l u r i o n ea t o m se t c hh b ns u r f a c ew h i l eb f xa n dn h xi s r e s p o n s i b l ef o rc r y s t a lg r o w t h t h ee c r - c v dp r o c e s si so b v i o u s l ym o r ep r o m i s i n g f o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fc b n t h er e s e a r c hf o rd o p i n go fc b nf i l m sa r ec a r r i e db yi o ni m p l a n t a t i o n b e r y l l i u m ( b e ) a n ds u l f u r ( s ) a r ee m p l o y e da sp - t y p ea n dn - t y p ed o p a n tr e s p e c t i v e l ya n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o n d u c t i v et y p e sa r ea c h i e v e d t h i si si n t e r n a t i o n a l l yi n n o v a t i v ew o r k a tac e r t a i ne x t e n t b e r y l l i u mi o n sa r ei m p l a n t e di nt h ec b nf i l m sp r e p a r e db yr fs p u t t e r i n g 刀j e r e s i s t i v i t yd e c r e a s e sb y6o r d e r sa f t e rp o s t - i m p l a n t a t i o nh i l g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n g t h e p t y p ec o n d u c t i v i t yi sr e v e a l e db yh a l l e f f e c tm e a s u r e m e n t t h ec o r r e s p o n d i n g m o b i l i t ya r eo f1 抛8c m 2 v sa n dc a r r i e rc o n c e n t r a t i o na r e 1 0 1 9 - 1 0 2 0c m 3 p - b n n s ih e t e r o j u n c t i o nw h i c hh a so b v i o u sr e c t i f y i n gc h a r a c t e r i s t i ci sa c h i e v e d b e t w e e nb e i m p l a n t e db nf i l ma n ds i l i c o ns u b s t r a t e s p a c e c h a r g e d l i m i t e dc u r r e n ti s d e m o n s t r a t e db yi vc h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e df r o mt h es u r f a c ew h i c hi n d i c a t e st h e i v a b s t r a c t m e x i s t e n c eo fs h a l l o wt r a p si nt h ef i l m 硼1 ef i t t i n ge q u a t i o no ft h ef o r w a r di vd a t ao f t h eh e t e r o j u n c t i o ni sc o m p a r a b l e 、析mt h ei d e a ld i o d ee q u a t i o na n da n d e r s o nm o d e l f o rh e t e r o j u n c t i o n t h ej u n c t i o ni ss u p p o s e dt oh a v eo t h e rt r a n s p o r tm e c h a n i s mt h a n d i f f u s i o n t h en a n o c r y s t a l l i n ea n dp o l y c r y s t a l l i n ec b nf i l m sp r e p a r e db yr f - m sa n d e c r c v dr e s p e c t i v e l ya r ed o p e dt ob ep - a n dn - t y p es e m i c o n d u c t o rw i t l lb ea n dsa u s t h ed o p a n t sr e s p e c t i v e l y 1 1 l ec o n d u c t i v et y p e sa r ed e m o n s t r a t e db yh a l l e f f e c t m e a s u r e m e n t sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o b i l i t y ( b e ：3 - 3 1 2c m 2 v 。s ；s ：3 8 4c m 钳s ) ， c a r r i e rc o n c e n t r a t i o n ( 1 0 1 7 1 0 1 8c m - 3 ) a n dr e s i s t i v i t ya r ea l s oo b t a i n e d 皿ea c t i v a t i o n e n e r g i e so fi m p l a n t e di o n sa r ec a l c u l a t e df r o mt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h es h e e t r e s i s t a n c e i ti si n t e r e s t i n gt on o t et h eh o l em o b i l i t y ( 3c m 2 v s ) a n d a c t i v a t i o ne n e r g y ( o 2e v ) o b t a i n e di nb e i m p l a n t e dp o l y c r y s t a l l i n ec b nf i l ma r ec o m p a r a b l et ot h a t m e a s u r e do nb e d o p e dh p h t c b n s i n g l ec r y s t a l s ( 2c m 2 v sa n d0 2 3e v ) n l e a c t i v a t i o ne f f i c i e n c yi se s t i m a t e dt ob ea r o u n d4 h e r ew h i c hi sc l o s et ot h a to ft h e b o r o ni o n si m p l a n t e di np o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n df i l m s ( 1 ) 1 1 1 ea c t i v a t i o ne n e r g i e s o fb ei o n si m p l a n t e di nl l a n o c r y s t a l l i n ec b nf i l m s ( 0 2 7e v ) i ss l i g h t l yl a r g e rt h a n t h a ti np o l y c r y s t a l l i n ef i l m ( 0 2e v ) w h i c hi ss u p p o s e dt ob er e l a t e dt ot h em o r eg r a i n b o u n d a r i e sa n dd e f e c t si n t h en a n o c r y s t a l l i n ec b n f i l m s b e r y l l i u mi sas h a l l o w i m p u r i t yf o rc b n 1 1 1 ew o r ks h o w si o ni m p l a n t a t i o ni st h ee f f e c t i v ed o p i n gp r o c e s sf o rc b nf i l m a n dt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa l ea f f e c t e dg r e a t l yb yd o s ea n di o ne n e r g y n l ep r o p e r d o s ea n di o ne n e r g ya r en e c e s s a r yf o rd e s i r e dd o p i n ge f f e c t t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e s w i l lb ec h a n g e dm o r es t r o n g l yb yl a r g e rd o s ea n dm o r eo b v i o u sd o p i n ge f f e c tc a nb e o b s e r v e d 1 1 l ei o n si m p l a n t e d 、i t l ll o w e ri o ne n e r g yh a v eh i g h e ra c t i v a t i o ne f f i c i e n c y d u et ot h ec o m p a r a t i v ee v e ni o nd i s t r i b u t i o n k e yw o r d sc u b i cb o r o ni l i t r i d ef i l m ；e p i t a x i a lg r o w t h ；i o ni m p l a n t a t i o n ；d o p i n g ； h a l l e f f e c t v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 刃彦s -日期： 型垒： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 宽带隙半导体的兴起 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是技术进步的标志。回顾半导体 材料与电子技术的发展，可以清晰地发现材料推动科技和社会进步的重要作用。 硅( s i ) 材料的发现使半导体在微电子领域的应用获得突破性进展，晶体管、 集成电路相继出现，硅很快代替锗( g e ) 成为半导体材料的绝对主力，计算机 和家电得以广泛应用。而后，具有直接带隙和更高电子迁移率的砷化镓( g a a s ) 材料则使半导体的应用进入光电子学领域。用砷化镓基材料及类似的化合物半 导体，如镓铝砷、铟镓砷和磷化铟等，制备的发光二极管和半导体激光器，使 光通信和光信息处理等日臻成熟，也带来了v c d 和多媒体等的飞速发展，彻底 改变了人们的生产和生活现状，使世界进入信息时代。s i 与g a a s 因此分别被 称为第一代和第二代半导体，而由于硅材料的关键作用，信息时代也被称为“硅 为代表的电子材料时代”【l 】。 随着半导体技术的进步，硅基半导体器件的性能已逐渐达到硅材料的理论 极限，但工业、科技及军事的发展仍不断对功率器件及光电子器件提出新的应 用需求，如更高的工作温度、功率、频率、效率、稳定性以及更短波长的光发 射和探测，硅基器件已经难以满足这些需求。所以，为提高器件性能，促进生 产和生活的持续进步，发展新的半导体材料是当务之急。 在硅与砷化镓发展及不断成熟应用的过程中，为开发具有更强应用潜力的 材料，众多其他半导体材料及一些材料的半导体属性也先后被发现和研究，特 别是其中一些半导体，它们具有比g e ( e g = 0 6 6e v ) 、s i ( 1 1 2e v ) 和g a a s ( 1 4 3e v ) 大得多的禁带宽度( 2e v ) ，被称为宽带隙半导体材料，主要包括 氮化镓( g a n ) 、碳化硅( s i c ) 、金刚石、氮化铝( a l n ) 、氧化锌( z n o ) 和氮 化硼( b n ) 等。宽禁带的特性使这些材料具有弱的本征激发，更高的击穿电场， 可发射及探测至深紫外的短波长光，另外与s i 、g a a s 相比多数宽带隙半导体电 子饱和速率高，热导率高，并且有较高的硬度和化学稳定性，这些卓越的物理 化学性能使得宽带隙半导体在制作高功率、高温、高频率、抗辐射、耐腐蚀器 件及短波长l e d 、l d 及光探测器等方面极具潜力，是解决半导体器件发展应 用难题的希望，被称为第三代半导体【n ，引。 与硅器件在发展初期受制于高品质材料生长与加工技术一样1 4 ，宽带隙半 导体的发展也因此一直很缓慢，远远落后于硅及砷化镓。直到2 0 世纪8 0 年代 末9 0 年代初，s i c 单晶生长和g a n 异质外延技术获得突破，宽带隙半导体材料 和器件的应用研究终于开始迅速发展，其中以s i c 和g a n 最为成熟【5 】。采用s i c 和 北京工业大学工学博士学位论文 表1 1主要半导体材料的物理性能参数【6 ，7 】 t a b l e1 - 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so fi m p o r t a n ts e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s s ig a a s3 c s i c4 h s i c6 h s i c 金刚石 禁带宽度( e 1 1 2 1 4 32 3 63 2 33 o5 4 5 介电常数1 1 81 2 59 7 29 6 6 1 09 6 6 l o5 5 8 电子迁移率 1 3 5 0 - 1 4 5 0 8 5 0 08 0 09 0 04 0 0 2 2 0 0 ( c m 2 v 1 s 。1 ) 空穴迁移率 4 5 0 5 0 04 0 0 3 2 01 2 09 01 6 0 0 ( c m 2 - v - 1 s 。1 ) 击穿电场 ( xl0 6 v c m 1 ) 0 3 6 1 3 53 - 51 0 饱和电子速率 1 o1 02 忍51 91 52 7 ( x1 0 5m s 。1 ) 热导率 ( w c m 1 k 1 ) 1 50 4 63 63 74 92 0 f j 啵( k g r n r n 2 ) 1 1 5 0- 8 0 02 9 0 0 - - 31 0 02 9 0 帖3 1 0 02 9 0 0 - 3 1 0 01 0 0 0 0 熔点( ) 1 4 2 01 2 3 82 5 4 m 之8 2 0- 2 8 2 0- 2 8 2 04 0 0 0 密度( g c m 一3 ) 2 3 2 85 - 3 23 2 13 2 l3 2 13 5 1 5 3 c g a n2 h g a na l nz n ol 出ne b n 禁带宽度e v 3 23 3 96 23 3 7 4 0 - 5 9 76 3 士0 2 介电常数9 7 8 98 6 7 95 6 87 1 4 5 电子迁移率 1 0 0 01 0 0 03 0 01 8 0 忍o o2 0 0 ( c m 2 、r 1 s 1 ) 空穴迁移率 3 5 02 0 01 45 5 05 0 0 ( c m l v - 1 s - 1 ) 击穿电场 ( xl0 6 v c m 1 ) 551 2 1 81 32 6 饱和电子速率 3 22 61 8 5 ( x 1 0 5 m s - 1 ) 热导率 州c m - 1 k 。1 ) 1 31 32 8 5 1 218 1 3 硬度( k g m m 。2 ) 1 2 0 0 - - 17 0 01 2 0 0 - 1 7 0 08 0 0 一1 9 0 08 0 04 0 04 5 0 0 熔点( ) 2 5 0 02 5 0 02 7 5 01 9 7 5 3 0 0 0 3 0 0 0 密度q c m 一3 ) 6 1 56 1 53 2 35 6 0 62 2 8 13 4 8 2 第1 章绪论 g a n 为基体材料制作的功率器件和光电子器件已经进入商业应用，并且表现了 明显的性能优势。如s i c 导热性能是s i 材料的3 倍以上，在相同反压下，s i c 材料的击穿电场强度比s i 高1 0 倍，而内阻仅是s i 片的百分之一。s i c 器件的 工作温度可以达到6 0 0 ，而一般的s i 器件最多能到1 5 0 ，g e 则只能到9 0 。s i c 肖特基二极管是速度最快的高压肖特基二极管，无需反向恢复充电， 可大幅降低开关损耗、提高开关频率，适用于比采用硅技术的肖特基二极管高 得多的操作电压范围。g a n 基的蓝绿光l e d 、l d 、紫外探测器及f e t 也已经 在相关应用领域体现出重要的应用价值、良好的应用前景和广阔的市场。s i c 和g a n 的迅速发展鼓舞了宽带隙半导体材料和器件的研究，近年来相关的研究 和论文数量快速增加，必将推动宽带隙半导体材料与器件的加速发展。 目前除s i c 和g a n 外，其他的宽带隙半导体材料及其器件仍集中于实验研 究阶段。从这些材料的物理化学性质来看，它们具备甚至比s i c 和g a n 更强的 应用潜力，只是在材料制备、掺杂等方面尚存在有待解决的问题。表l 列出了 常用半导体和主要宽带隙半导体的相关性质，从中可以清楚地发现一个引人瞩 目的材料，就是立方氮化硼( c b n ) 。这是一种完全人工合成的一v 族半导体 材料和超硬材料，从表中看出它具有突出的优异综合性能。截至目前的研究表 明，c b n 具有最宽的带隙和仅次于金刚石的硬度、热导率，显然是一种极具吸 引力的宽带隙半导体。事实上，c b n 的制备与掺杂研究已经有五十年的历史瞄一， 但由于它的生长条件苛刻，使得制备中存在许多问题和难点，因此虽然被广泛 关注，但进展缓慢。 1 2 氮化硼的同素异构体 b n 有四种主要的同素异构体，c b n 和h b n 是得到广泛研究和应用的两种。 b n 与族的