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摘要 论文题目：s i s i c 异质结的制备及其光电特性的改善 学科：微电子学与固体电子学 作者：李文昌 导师：陈治明教授 答辩日期：2 0 1 1 年3 月 摘要 签名： 为了拓宽s i c 器件的应用范围，开发可见光和近红外光光控s i c 器件具有重要意义。 本文使用低压化学气相淀积( l p c v d ) 系统，在n 型6 h s i c 衬底上沉积s i 薄膜，用s i 薄膜作为光吸收层，制成了具有良好光电特性的p i n s i s i c 异质结，为开发光控s i c 器 件奠定了基础。采用白光干涉仪、共聚焦显微镜、x r d 、t e m 、等现代分析测试技术对 不同工艺条件制备的s i 层特性进行表征。测试了s i 薄膜的厚度并计算了薄膜的生长速率， 观察了薄膜的结晶方向和内部缺陷等。简单了解了不同形核温度对结晶方向的影响，研究 了不同衬底清洗工艺对s i s i c 异质结漏电流的影响和i s i 层厚度对光电流的影响。得出 了以下主要结论： 1 采用l p c v d 法可以在8 5 0 9 0 0 的温度下，在n 型6 h s i c ( 0 0 0 1 ) 衬底的s i 面沉积了多晶s i 薄膜。 2 当s i h 4 流量为2 0 s c c m 、衬底温度为9 0 0 、气压为3 5 0 - 4 2 0 p a 时，薄膜的生长 速率约为18 4 4 n m m i n 。 3 通过t e m 的透射电子衍射花样可以看到：当以9 0 0 直接形核生长s i 薄膜时， 薄膜在生长初期就有按 方向生长的情况。在衬底和生长速度相同的条件下， 采用低温形核可增加薄膜中s i 的单一取向。由x r d 测试表明低温形核 ( 6 0 0 一7 0 0 ) 有利于s i 薄膜按 晶向生长。 4 采用1 0 6 0 退火措施后，s i c 上n i 电极的比电阻可做到5 1 7 x 1 0 4 q c m z 。 5 异质结的漏电流对衬底清洗工艺比较敏感，衬底用r c a l + r c a 2 清洗液清洗的异 质结漏电流最小。 6 当i 层厚度为1 1 7 u m 时光电流最大，在光照功率为0 2 w c m z 条件下约为0 9 8 m a ( 电极面积为1 m m z ) 。 关键词：l p c v d ；x r d ；t e m ；p i n s i s i c 异质结：光电流密度 本课题得到国家自然科学基金( 6 1 0 7 6 0 1 1 ) 的资助 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：p r e p a r a t i o no fs i l s i ch e t e r o j u n c t i o na n di m p r o v e m e n to fi t s o p t o e l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i c s m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s c a n d i d a t e ：w e n c h a n gl i s u p e r v i s o r ：p r o f z h i m i n gc h e n a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u i no r d e rt oe x t e n dt h ea p p l i c a t i o no fs i cd e v i c e ，i t sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o po p t i c a lc o n t r o l l e ds i c d e v i c eu s i n gv i s i b l eo rn e a ri n f r a r e d i nt h i sr e s e a r c h ，i no r d e rt om a k es i s i cp i nh e t e r o j u n c t i o n ，l p c v d s y s t e mw a su s e dt od e p o s i ts if l i mo nn - 6 h - s i cs u b s t r a t ew i t hs i l a n ea st h es o u s eg a s ，b o r a n ea st h ed o p e a d d i t i v ea n dh y d r o g e na st h ec a r r i e rg a s t h e s ew o r kl a yt h ef o u n d a t i o nf o rd e v e l o po p t i c a lc o n t r o l l e ds i c d e v i c e m o d e r na n a l y s i se q u i p m e n t ，s u c ha sw h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t e r , c o n f o c a lm i c r o s c o p y , x r d ，t e ma r e u s e dt oc h a r a c t e r i z et h es a m p l ew i t hd i f f e r e n tm a n u f a c t u r ep r o c e s s e s i na d d i t i o n ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s a r ea l s ob a s e do nm e a s u r e m e n to ft h et h i c k n e s so ft h es if l i ma n dc a l c u l a t i o no ft h eg r o w t hr a t eo ft h es if l i m ， o b s e r v e so ft h ec r y s t a lo r i e n t a t i o na n di n t e r n a ld e f e c t so ft h ef i l m ，u n d e r s t a n d i n go fi n f l u e n c eo fd i f f e r e n t n u c l e a t i o nt e m p e r a t u r eo nc r y s t a lo r i e n t a t i o n ，r e s e a r c ho ft h ee f f e c to fd i f f e r e n ts u b s t r a t ec l e a n i n gp r o c e d u r e o nl e a k a g ec u r r e n to fs i s i ch e t e r o j u n c t i o na n dt h i c k n e s so fi - s il a y e ro np h o t o c u r r e n t c o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w ： 1 p o l ys if i l mi sd e p o s i t e do nn - 6 h - s i c ( 0 0 01 ) s u b s t r a t eu s i n gl p c v ds y s t e ma tt h et e m p e r a t u r eo f 8 5 0 9 0 0 2 t h eg r o w t hr a t eo fs i f i l mi sa b o u t18 4 4 n m m i nw h e nt h ef l o wr a t eo fs i l l 4i s2 0 s c c m t h e s u b s t r a t et e m p e r a t u r ei s9 0 0 a n dt h ep r e s s u r eo f r e a c t i o nc h a m b e ri sw i t h i n3 5 0 4 2 0 p a 3 f r o mt h er e s u l to ft e ms a e dp a t t e m t h ef i l mg r o w s a l o n gt h ec r y s t a lo r i e n t a t i o no f a t t h eb e g i n n i n go ft h eg r o w t ho ft h ef i l m w ei n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fl o w - t e m p e r a t u r en u c l e a t i o no n t h eg r o w t ho r i e n t a t i o no fs if i l m s ，w h i c ha r eg r o w no nt h eu n i f o r ms i cs u b s t r a t e sa ta ni n v a r i a b l e g r o w i n gv e l o c i t y t h es if i l mt e n d st og r o wa l o n gt h ec r y s t a lo r i e n t a t i o no f w h e nt h e n u c l e a t i o nt e m p e r a t u r ei sl o w ( 6 0 0 。c - 7 0 0 ) 4 t h es p e c i f i cr e s i s t a n c eo f n io ns i ci sa b o u t5 1 7 1 0 q q c m 2a f t e r1 0 6 0 a n n e a l 5 l e a k a g ec u r r e n to fh e t e r o j u n c t i o ni ss e n s i t i v e t os u b s t r a t ec l e a n i n gp r o c e d u r ea n dt h el e a k a g e c u r r e n to fh e t e r o j u n c t i o nr e a c h e sm i n i m u mu s i n gr c ai + r c a 2 6 、m t ht h ep o w e ro ft h el i g h ts o u r c ei s0 2 w c m 2a n dt h ea r e ao ft h e e l e c t r o d ei s0 01c m 2 p h o t o c u r r e n tr e a c h e sm a x i m u m ，a b o u t0 9 8 m a ，w h e nt h et h i c k n e s so fi s il a y e ri s1 17 1 x m k e yw o r d s ：l p c v d ；x r d ；t e m ；p i n - s i s i ch e t e r o j u n c t i o n ；p h o t o c u r r e n td e n s i t y t h i st h e s i si s f i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 6 1 0 7 6 0 11 ) i i 目录 目录 1 绪论1 1 1s i 6 h - s i c 异质结的研究意义1 1 26 h - s i c 衬底上s i 薄膜的制备方法2 i 3s i s i c 异质结的研究现状2 i 4 本论文的研究目的和内容4 2 热壁l p c v d , 设备、生长机理和沉积工艺6 2 1 热壁c v d 生长设备6 2 2 薄膜的表面形核与生长7 2 3 硅薄膜的生长过程和工艺参数1 1 3 6 h - s i c 衬底上s i 薄膜的表征1 4 3 1s i 薄膜的厚度测试1 4 3 2x 射线衍射测试1 5 3 3t e m 测试1 9 3 4 关于s i 薄膜特性的讨论2 5 4 s i 6 h - s i cp i n 异质结的光电特性2 7 4 1 异质结电极的制备与优化2 7 4 2s i 6 h s i cp i n 异质结的光电特性模拟3 1 4 3 不同清洗工艺对s i s i cp i n 异质结漏电流的影响3 6 4 4i - s i 层及其厚度对s i s i cp i n 异质结电流特性的影响3 7 4 5 对模拟结果与实验结果的对比讨论4 0 5 结束语4 3 感谢4 4 参考文献4 5 西安理工大学硕士学位论文 i l 绪论 1 绪论 目前发展比较成熟的半导体材料有s i 和g a a s 等。但随着功率器件、微波器件的不断发 展，传统的s i 和g a a s 材料由于材料本身的性能缺陷，在一些领域越来越显示出了一定的 局限性。而s i c 材料近年来在材料制备、外延生长等方面的突破性进展使其成为半导体行 业的研究热点。相对于硅材料而言，碳化硅是在制作高温、高频、大功率、抗辐射等器件 的理想材料，可广泛应用于核反应系统的监控、石油勘探、核能技术、环境检测以及航空 航天、雷达通讯系统、大功率的电子转换系统和汽车电子系统等极端领域。 1 1s i 6 h i c 异质结的研究意义 新型半导体材料的研究和突破，常常导致新的技术革命和新兴产业的发展。s i c 作为 第三代半导体材料，是继第一代半导体材料( 以s i 基半导体为代表) 和第二代半导体材料 ( 以砷化镓和磷化铟为代表) 之后，最近发展起来的新型宽禁带半导体材料。s i c 单晶具 有宽带隙、高导热率、高击穿强度、高电子饱和漂移速度、高的硬度和耐腐蚀等优点，这 使它能够成为未来高温、高频、大功率、抗辐射等器件的核心材料。随着高新技术的发展， 实际应用中对高技术传感器、功率半导体器件、电子控制元件等的抗电磁干扰能力的要求 越来越高。在很多恶劣的环境中一般存在电磁干扰，电磁干扰会降低器件的稳定性，进而 限制s i c 功率器件的应用。s i c 紫外光电探测器或光触发器件主要结构有光电导器件、肖 特基( s c h o t t k y ) 器件、金属一半导体金属( m s m ) 器件、p i n 光电二极管和雪崩光电二极管 ( a p d ) 等类型。3 1 。用光来对s i c 功率器件触发可以有效地避免电磁的干扰。但s i c 的禁带 较宽，对可见光和近红外光都不敏感。如果把光电器件与s i c 功率器件集成在一块芯片上， 从而避免导线的链接，用光使光电器件产生电流，从而触发s i c 功率器件。这样就可以有 效的避免电磁干扰。为此，本课题组在6 h s i c 衬底上沉积s i c g e 或s i 薄膜，制成异质结， 用s i c g e 层或s i 层作为异质结光电器件的光吸收层，从而实现s i c 功率器件的光触发。之 前的实验，希望通过调节s i c g e - - - 元合金中的g e 含量来调节s i c g e 的能带，使其对红外光 和可见光有较强的吸收，从而实现s i c 器件的光电集成；碳的加入为s i g e 系统在能带工程 中提供了很大的自由度，s i c g e s i c 异质结结构s i c 光电集成领域具有潜在的实用性( 4 1 。 适当调节s i c g e 三元合金的组分使其成为光电吸收层，使s i c 器件可被可见光和近红外光 触发。但是由于c 、g e 、s i 三者晶格失配很严重，g e 原子尺寸比c 原子和s i 原子的尺寸都 要大得多，在6 h s i c 衬底上只能在一个很窄的组分比范围实现较低缺陷密度的二维单晶 生长，而且即便是缺陷密度较低的薄膜，其载流子迁移率也很低，并未能发挥g e 高载流 子迁移率的作用，因而实用化难度较大。鉴于s i c g e 薄膜的困难，陈治明教授提出在s i c 衬底上沉积s i 薄膜来代替s i c g e 薄膜。s i 薄膜制备工艺成熟、生长温度低、对可见光和近 红外光有很强的吸收，因此这应该是一个更好的选择。但s i 与s i c 的晶格失配( 2 0 左右) 和热失配( 8 ) 较大。晶格失配将导致高的界面态密度和外延膜中高的缺陷密度；在温 度变化时热失配会在s i 膜中产生应力，严重时甚至会引起薄膜的翘曲和裂纹现象。在s i c 西安理工大学硕士学位论文 衬底上沉积对可见光和近红外光有较强吸收的高质量s i 薄膜形成s i s i c 异质结，以实现对 s i c 器件的非紫外光触发还是一个全新的课题，具有重要意义，同时也充满挑战。 1 26 h _ s i c 衬底上s i 薄膜的制备方法 薄膜的制备方法主要有物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉积技术中最基本的 两种方法是蒸发和溅射。真空蒸发是利用蒸发材料在高温时所具备的饱和蒸汽压进行薄膜 制备。在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸汽流并入射 到衬底表面，在衬底上凝结形成固态薄膜。溅射是利用带有电荷的离子在电场中被加速后 具有一定的动能的特点，离子被引向欲溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射离 子在与靶表面原子碰撞过程中会使靶原子溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的 动能，并沿一定方向射向衬底，从而实现了在衬底上的薄膜沉积。 化学气相淀积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，c v d ) 是指把含有构成薄膜元素的气态反 应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体，以合理的流速引入反应室，在衬底表面发 生化学反应生成薄膜的过程。常用的c v d 分为a p c v d 、l p c v d 、p e c v d 三类。a p c v d 是在大气压下进行的淀积系统，操作简单，并以较高淀积速率进行淀积，特别适合于介质 薄膜的淀积，但容易发气相反应，产生微粒污染，其台阶覆盖性和均匀性比较差；l p c v d 均匀性和台阶覆盖性比a p c v d 好，污染少，在不使用稀释气体的情况下，只通过降压就 可以降低气象成核；p e c v d 低温淀积是p e c v d 的一个突出优点，p e c v d 淀积的薄膜具有 良好的附着性、低针孔读、良好的阶梯覆盖、良好的电学特性、可以与精细图形转移工艺 兼容。此外，金属有机化合物化学气相淀积( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，m o c v d ) 以其实用范围广泛、能获得很陡的界面过度、生长易于控制、生长材 料纯度高、可以大规模生产等特点使其在实际生产中得到广泛应用。但m o c v d 生长实用 的源易燃、易爆、毒性很大，因此对于m o c v d 系统，通常要考虑系统密封性，流量、温 度控制要精确，组分变换要迅速，系统要紧凑等。分子束外延( m o l e c u l a rb e a m e p i t a x y , m b e ) 是将薄膜诸组分的分子束流，直接喷射到衬底表面，从而在其上形成外延 层的技术。该法生长温度低，能严格控制外延层的厚度、组分和掺杂浓度，但系统复杂， 生长速度慢，生长面积受到限制。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和 超晶格的生长。 1 3s i s i c 异质结的研究现状 由于碳化硅单晶材料的制备难度比较大，工艺不是非常成熟，并且价格比较昂贵。s i c 器件还没有普及应用，但随着社会的发展，在很多高要求的场合宽禁带的s i c 器件会展现 它极好的特性，s i c 器件的应用范围也会更广。到目前为止，很少有人用c v d 的方法在s i c 上生长s i 薄膜，在s i c 衬底上外延s i 薄膜的报道几乎没有。研究s i s i c 异质结，开发s i c 在 光控领域的应用具有重要意义，同时也充满挑战。 1 9 9 8 年j eh e n n i n g 等首先报道了在4 h s i c 外延层的表面沉积重掺杂多晶硅层来 2 绪论 做接触层。他们希望通过4 h s i c 上的一层p o l y s i 来实现4 h s i c 的稳定欧姆接触，并分 析了p o l y s i s i c 异质结电流特性和势垒高度。通过测试表明，p - p l o y s i n 一4 h s i c 异质结 的电流特性显示几乎理想的二极管整流特性t 5 1 0 2 0 0 4 2 0 0 5 年t h a y a s h i 等通过在一个n + 4 h s i c 衬底上外延了1 0 u m 的4 h s i c 层( 1 1 0 1 6 c m 3 ) ，再在其上面外延一层2 p m 的高掺杂的( 1 1 0 1 9 c m 弓) s i 层而制成p + s i 4 h s i c 异质结二极管。其具有极低的转折电压、高的反向阻断电压( 高达1 6 0 0 v ) ，低的反向漏电 流，通态比电阻小。通过i v 和瞬态测试表明，在2 0 0 范围内异质结的电流特性显示几 乎理想的二极管整流特性，且具有类似肖特基二极管的几乎为零的反向恢复电流珀1 。 2 0 0 6 年a b o u z i d i 等人对n 6 h - s i c p s i n s i p s i o s g e o 2 多层太阳能电池进行模拟， 他们以6 h s i c 作为光的入射窗口，每层的掺杂浓度均为1 0 1 7 c m 。其模拟结果表明光电 流密度超过5 3 m a c m z1 8 1 0 2 0 0 7 年，l c h e n 等人报道了对采用计算机模拟的方法，对s i s i c 异质结的新型s i c m o s f e t 器件的计算机模拟。在s i c 垂直m o s 器件的绝缘层栅下插入一层极薄的s i 层， 从而降低通态电阻。通过合理的结构设计，使在短态是其较强的电场都在s i c 内部。从 而解决s i c 与s i 0 2 界面缺陷密度多，载流子迁移率低的问题 9 1 0 同年，o j g u y 等在4 h s i c 上沉积一层s i 牺牲层，并把s i 部分氧化形成4 h s i c s i s i 0 2 结构来代替4 h s i c s i s i 0 2 。通过s i 的加入避免了s i c 与s i 0 2 的接触，从而减少s i c 与s i 0 2 接触时的界面态，进而增加反型层的载流子迁移率。并通过优化m o s 器件结构，使击穿 发生在s i c 区域，是器件兼有低的通态电阻和s i c 高击穿电压的优点 1 0 l 。 2 0 0 7 年，a p e r e z t o m a s 等用m b e 在4 h s i c 衬底上沉积一层s i ，并测试这种结构 的物理和电学特性。并且通过不同的衬底清洗工艺，得出用只用r c a 2 清洗时反方向漏 电流最小。他们即外延了n + s i 薄膜，也同样研究了外延p + s i 薄膜。其中n + s i 薄膜的掺杂 剂是s b ，p + s i 薄膜的掺杂剂是b 。为了作为对比，分别在5 0 0 和9 0 0 。c 的衬底温度下做 了外延。通过x r d 测量其晶体结构，用s e m 测量其表面结构，用a g i l e n tb 1 5 0 0 a 测量了 其c - v 和i - v 特性。x r d 测试表明所有条件下制备的s i 薄膜是立方s i 晶体多晶，但9 0 0 条件下淀积的s i 薄膜晶粒较大，结晶方向主要有 和 晶向。s e m 显微图表明 随着淀积温度的增加，薄膜表面的粗糙度也增加1 1 2 1 。 f i s s e l ，r a k h t a r i e v , u k a i s e r , w r i c h t e r 等人在s i c ( 0 0 0 1 ) 上用分子束外延生长了s i 层 他们通过反射高能电子衍射分析得出，外延层s i 的生长服从s k 模型；当超过临界覆盖 时，s i 岛开始形成在外延层中有两种s i 岛，他们与衬底的外延关系为( 1 1 1 ) ( 0 0 0 1 ) 和 ( 1 1 0 ) ( 0 0 0 1 ) ；在临界平衡条件下，临界覆盖为1 4 个原子层，在高的沉积速率( r ) 和低温下 ( t ) ，s i 岛的形成存在动力学延迟，它与r 和扩散系数( d ) 的关系可表达为t c 。c r d ：在这条 件下，s i 岛有较统一的尺寸为几个纳米，且其浓度为1 0 1 1 c m 2 ：在较低的沉积速率下，临界厚 度只是温度( t ) 的函数，表明吸附原子的表面扩散时间决定其结合成键的时间1 1 3 1 。 p h i l i pt a n n e r 等人在s i 衬底上制备了一层3 c - s i c 薄膜。通过研究这个3 c - s i c s i 西安理工大学硕士学位论文 异质结的温度和反向电场对漏电流的影响，针对在s i c s i 界面提出了一个电流机制，即 陷阱辅助隧道热发射机制1 1 4 1 0 这对本课题组研究s i 6 h - s i c 的漏电流特性是有帮助的。 目前，本课题组对于6 h s i c 衬底上硅外延已经进行了大量的实验和模拟。用l p c v d 系统在s i c 衬底上生长出了质量较好的单晶硅外延膜。通过实验总结了外延生长的最佳 工艺条件，并且分析了外延生长的机理以及影响因素，研究了生长温度、h 2 和s i h 4 的流 量比以及反应室的压力对外延生长的重要作用。通过x 射线衍射( x r d ) 和透射电子显微镜 ( t e m ) 分析当生长温度在8 0 0 9 0 0 时外延层质量最好，但外延层中有明显的层错和孪晶， 层错孪晶的出现主要是由外延层和衬底之间的晶格失配和热适配造成的1 1 5 1 。同时，通过 改变反应气体中硅烷和乙硼烷的气体流量比，对外延层的进行了掺杂控制，其方块电阻可 以在6 0 0 0 0 d 口到3 0 0 d v i 之间随意调节。并且当s i 外延层的方块电阻为2 0 0 0 0 0 口时， s i s i c 异质结的光电流可得到2 0 m a c m 2 1 1 6 1 。本人通过本学期的初步实验，进一步优化了 生长温度，得出硅的最佳生长温度在8 7 5 左右。在s i c 衬底上先生长一层的i s i 层，再 在上面生长一层重掺杂的p s i 层，形成p + s i i s i n + 6 h s i c 异质结。对其进行光电特性 测试，发现器件的光电流有了明显改善。 1 4 本论文的研究目的和内容 为适应s i c 器件在极端场合的应用，开发s i c 在光电领域的应用。在6 h s i c 衬底上 沉积s i 薄膜作成s i 6 h - s i c 异质结，s i 薄膜做光吸收层，从而实现s i c 器件的光电集成， 此外薄膜中的界面态和众多缺陷会对光生载流子产生陷阱作用，这可能会导致s i 吸收层 的的光电导效应将不会很明显 1 7 1 。控制s i 层的掺杂，在s i 薄膜生长初期，生长一层一定 厚度的本征s i 层，从而调节异质结空间电荷区在s i 层的扩展，调节s i 层的有效光吸收 区域，优化光电转换效率。但s i c 和s i 有较大的晶格失配和热失配，晶格失配将导致高 的界面态密度和s i 薄膜中高的缺陷密度；且在温度变化时热失配会在s i 膜中产生应力， 严重时甚至会引起薄膜的翘曲和裂纹现象。界面态和薄膜中的缺陷可能会起到复合中心的 作用，影响异质结的光电流和反向漏电流。因此通过对衬底的处理和优化沉积工艺参数等 方法来优化s i 薄膜，并优化i s i 层厚度，从而增大异质结的光电流和减小反向漏电流， 这是一项很有实际意义的研究，并且具有一定的挑战性。 本文主要讨论通过调节生长温度、气体流量、生长压力等工艺参数，在s i c 衬底上制 备高质量的s i 薄膜。能够控制b 2 h 6 流量，生长出杂质浓度较低的i s i 层和参杂浓度合适的 p s i 层，使其对可见光和近红外光有较强吸收，从而实现非紫外光光电集成。 主要内容有以下几点： 1 使用热壁c v d 系统在s i c 衬底上沉积质量较好的s i 薄膜； 2 使用白光干涉、x r d 、t e m 等测试手段对s i 薄膜进行表征，总结s i 薄膜质量的影响因 数，进一步优化6 h s i c 衬底上s i 沉积的工艺参数。 3 摸索不同的清洗工艺对s i 6 h s i c p i n 异质结漏电流的影响； 4 生长不同厚度的i s i 层和不同掺杂浓度的p s i 层，摸索i s i 层的厚度和p s i 层的掺杂浓度 4 绪论 对p s i i s i n 6 h s i c 异质结的光电响应的影响； 5 进一步优化在s i c 、s i 上的n i 和a l 欧姆电极性能，进而改善异质结的光电特性； 6 利用四探针法和冷热探针法确定薄膜的电导率和掺杂类型，使用a g i l e n t 4 1 5 5 c 半导体 参数测试仪测量其暗特性和光特性，并对结果进行分析。 西安理工大学硕士学位论文 2 热壁i 1 a e v q ) 设备、生长机理和沉积工艺 本章说明了本实验室中将用到的l p c v d 系统；简单介绍薄膜生长的几种模式以及 s i 单晶薄膜生长的物理过程；详细的说明了在6 h s i c 衬底上制备s i 薄膜的生长过程与 工艺参数。 2 1 热壁m 生长设备 加热系统 图2 1 热壁l p c v d 系统示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eh o tw a l ll p c v ds y s t e m 图2 1 是本课题组所用l p c v d 系统的示意图，整个系统包括反应室及加热装置、温度 控制系统、水循环冷却系统、供气系统、真空机组及真空检测系统和尾气处理系统等。往 届的论文以对各个系统的具体功能和设计要求有较详细的研究t l s i 。 图2 2 是本课题组的c v d 炉的生长室，它由中频加热铜线圈、石英管、石墨碳毡绝热 层、石墨感应腔体和衬底组成。给感应线圈施加频率为2 5k h z 的一定强度的中频电流， 在石墨衬托表面形成了涡流，产生焦耳热，通过热传导，热量从石墨表面向内部传递，在 石墨衬托内壁各面上形成热辐射，给腔体内的反应气体和衬底提供反应能量。加热时加热 铜线圈和石英管两边的不锈钢接口用循环水冷却。 6 热壁l p c v d 设备、生长机理和沉积工艺 图2 - 2 l p c v d 设备 f i g2 - 2l p c v de q u i p m e n t 2 2 薄膜的表面形核与生长 薄膜的形成过程实质上是气一固转化、沉积粒子粘结成膜的过程。大致可以分为以下 几个步骤：分子撞击到衬底表面；它们被衬底表面原子吸附或直接反射回去；被吸附的分 子在衬底表面发生化学反应，生成s i 原子；s i 原子在衬底表面发生迁移或扩散移动到表面 合适的位置；被吸附的原子相互结合，形成原子团；之后小原子团长大，形成晶核；很多 晶核继续长大，先是形成不连续的薄膜，然后在薄膜平均厚度超过一定值时，即形成连续 薄膜。就整个薄膜形成过程，晶核的形成与长大时同时进行的，即在衬底上有的地方进行 着成核过程，而在另些地方，晶核已经存在并且在长大。在原子尺度上揭示薄膜层初期形 成中，粒子所发生微观过程及薄膜形成初期微观结构演化，深入了解表面粒子的迁移和成 核、薄膜生长的微观状态，对改进和优化薄膜制备工艺、提高薄膜质量具有重要的意义。 对薄膜生长机制的研究中认为：在薄膜生长的过程中，薄膜生长会出现三种不同的生 长模式 1 9 1 一 2 3 1 ： 1 三维岛状生长 三维岛状生长又称沃尔默一韦伯型( v o l m e r - - w e b e r 型，v - w 型) 。薄膜按这种方式 形成时，首先吸附于表面的原子发生迁移而形成原子集团，即形成核，在核的尺寸达到某 一临界值后成为稳定的核，吸附来的原子可在核上直接凝聚成岛状结构，以后小岛又连接 起来形成连续的薄膜。这个形成过程可分为四个主要阶段：岛状阶段、联并阶段、沟道阶 段、连续膜阶段。当薄膜的原子之间有强烈的相互作用力，而薄膜原子和基底原子之间的 7 西安理工大学硕士学位论文 相互作用力相对较弱时，就按照这种三维岛状长大方式形成薄膜。 2 层状生长 层状生长又称弗兰克一范德摩夫型( f r a n k - - v a n d e rm e r w e 型，f m 型) 。当欲沉积 的原子和基底原子之间相互作用力大于欲沉积原子之间的聚合力时，沉积原子取向于二维 薄层堆积，形成层状的薄膜生长方式。这种形成模式是从一开始，沉积在基片表面上的原 子均匀的覆盖表面，形成单原子层，往后以单原子层的形式依次生成第二层、第三层 等，薄膜厚度逐渐增加。理想的外延生长就是这种类型的生长。不仅是同质外延，即使是 异质外延，在引入失配位错后，也可以形成外延生长。在晶格失配位错产生前，沉积原子 是按基底的晶格周期来排列，一般将这种结构称为赝结构( p s e u d o m o r p h i s m ) 。 3 单层上的形核生长 单层上的形核生长又称为斯特朗斯基一克拉斯坦诺型( s t r a n s k i - - k r a s a n n o v 型，s k 型) 生长。当基底的原子和沉积原子的相互作用力很强，而沉积原子本身的凝聚力也很强 时，薄膜按这种方式形成。薄膜按这种方式形成时，先在基底上形成具有赝结构的单层膜。 然后再在单层膜上产生三维的形核长大过程。产生这种类型生长的材料与基底的组合相对 较少。 l 鳜 ；力塥黩弱魏珊历嬲鹦嬲嬲嘲踟 1 l z 霸轴需萌两满黔霸隅睇酾燃 i 盛i i i 陆i i i i 盛，l l l l l 盘l l l 酬l l l l 斑l l t 5 l l 3 簿孵k 翮l 盥l l l l 醯l l l l l 盛l l l l l 燃l l l l l l l l l l i l l 弱瓣飘黼 i l l 4 霸搠聊嬲孵膊嬲嬲嬲黼1 避1 1 1 1 滴1 1 1 1 i 蕊l l l l 磷i i i ii 随i i i i i “) ( 6 ) ( c ) c a ) v - w 模式( 淀积原子在表面形成3 d 岛) ( b ) f m 模式( 晶体一层挨一层生长) ( c ) s k 模式( 开始时一层一层生长，但经过一定的厚度后开始形成3 d 岛) 图2 3 薄膜形成与生长的三种模式 f i g 2 3t h r m o d e so ff i l mf o r m a t i o na n dg r o w t h 影响薄膜的生长模式的有多种因素，其中最主要的是薄膜物质自身的凝聚力、薄膜原 子对衬底的附着力、衬底温度和沉积速率。下面分别论述薄膜生长模式与前两种因素的关 系。 热壁l p c v d 设备、生长机理和沉积工艺 a 岛状生长模式 如上所述，这种生长模式的特点是在薄膜生长初期，首先形成大小不同的小岛。如图 2 4 ，这种三维小岛与衬底的接触角为0 。该角的大小与薄膜表面能、薄膜与衬底问的 界面能仃。、基片表面能仃：的关系如公式( 2 1 ) 所示 c o s 0 ：1 2 二! !( 2 1 ) g o 因此，要发生这种生长模式，必须有c o s0 0 ； 另一种是当岛和基片都是同一物质构成时，矾= 0 ；第三钟情况是薄膜与基片间发生化学 反应时，矾 0 0 从公式( 2 3 ) 看出，为了得到薄膜的二维生长模式，首先需要基片有相当大的表面 能和薄膜的表面能较小，其次是要界面能很小或者为负值。从微观能量来说，沉积原子对 基片的吸附能应该远大于沉积原子在薄膜上的结合能。 在衬底上薄膜的第一个原子层内的原子排列受衬底表面二维晶格的影响很大。因此， 当薄膜还是单原子层时，薄膜结构可能完全不同于薄膜材料的晶格结构，而与基片的二维 9 西安理工大学硕士学位论文 结构相同，这也就是所谓的膺结构( p s e u d o m o r p h y ) 。 b 层状生长模式 当基片的晶格常数与薄膜物质的晶格常数相差较大时，吸附原子层的结构与薄膜物质 的晶格结构会差别很大，因此，其应变能较大，界面能瓯为正值，“浸润”性变差。结果， 在薄膜二维层状生长到第n 层后，由于基层的表面能仃，显著变小，不再保持式( 2 3 ) 所 示的生长条件，而转为符合式( 2 2 ) 的条件，结果在第n 层上就开始生长三维晶格，从 此薄膜转为按v w 模式生长。 如果晶格匹配不是完美的，那么外延层在生长中晶格应变会不断积累，这将引起材料 系统能量的增加。如果应变能太大，为了使系统回到较低的能量状态，系统结构将发生重 新排列( 即重构) 。这种重构会以不同的方式进行，如产生失配位错。另一种方式就是形 成3 d 岛。应变能随外延层厚度线性增加，可以由下面公式描述： ， e = u 二t( 2 4 ) 其中，“表示弹性模量；表示晶格失配应变；t 表示外延层厚度。 当应变积累到一定的程度时，即外延层达到临界厚度时，外延层材料系统将变得不稳 定，将有可能发生重构以降低系统的能量结构。如果晶格失配很小，那么临界厚度很大， 这时生长遵循f m 生长模式，重构将表现微失配位错。当外延层的应变微张力时，位错 也是最常出现的结果。 对于晶格失配较大的两种材料，则必须考虑不会产生失配位错的最大厚度t l c ，当材 料的厚度大于l l c 时，内应力释放，材料中产生位错和缺陷。h c 的计算公式为， 吃：当等塑( 1 n 丝+ 1 ) ( 2 5 ) 。 ：4 2 a f 1 + ， 、 口0 、7 其中1 1 c 是临界厚度，a o 是应变层的晶格常数，f 是失配量，定义为 f = 口0( 2 6 ) v 是泊松比，定义为 v = 二坠一 ( 2 7 ) c l l + c 1 2 、7 c l l 和c 1 2 是材料的弹性常数；常数1 c 相应于应变超晶格、单量子阱和单应变层的取 值分别为1 、2 和4 。 如果外延层中的应变表现为压缩应力而且晶格失配在合适的范围( 2 1 0 ) 内，那么 晶格能量释放的最主要表现形式为3 d 岛的形成。这些岛在很大程度上是由达到临界应变 的外延层分解形成的。当这种能量释放过程完成以后，继续生长的结果就是薄的二维( 2 d ) 外延层( 称为浸湿层) 的产生。在该层的上面还是3 d 岛。这种生长模式即为s k 生长模 式。 如果晶格失配大于1 0 ，3 d 岛将直接在衬底上形成，没有浸湿层存在，即v - w 生 l o 热壁l p c v d 设备、生长机理和沉积工艺 长模式。 2 3 硅薄膜的生长过程和工艺参数 对于s i 薄膜的制备，采用s i l l 4 的热分解。 s i l l 4j 型! 坚o & + 2 h 2 个 s i h 4 分解制备s i 薄膜的温度一般为8 0 0 9 0 0 ，远低于其它方法，因此由高温挥发 或扩散引入的杂质就少。并且，s i h 4 的分解产物都没有腐蚀性，从而避免了对设备的腐 蚀以及硅受腐蚀而被玷污的现象。但s i h 4 是易燃易爆的气体，所以整个吸附系统以及分 解室都要有高度严密性。 在生长s i 薄膜前，先用标准清洗液对s i c 衬底进行清洗。洗好的衬底暂放在无水乙 醇中，以防止衬底被污染。衬底处理好后，根据预先设定好的工艺条件进行s i 薄膜生长。 图2 5 为在n 型6 h s i c 衬底上生长s i 时的工艺流程图。 图2 5s i 薄膜沉积工艺流程图 f i 9 2 5p r o c e s sd i a g r a mo f s i t h i nf i l m 具体实验工艺流程如下： 1 装样 关闭反应室与装样室之间的插板阀，松开装样室门上固定的螺丝，然后打开a r 气 气路开关和气瓶减压阀给装样室充气，等到反应室压力大于外界大气力后，装样室门 自动开启；将衬底放到石墨托上( 用s i 面生长，所以要求s i 面向上) ，关闭装样室门， 紧上装样室门上的固定螺丝，用机械泵将装样室抽真空至1 0p a 以下后，打开反应室 西安理工大学硕士学位论文 与装样室之间的插板阀，用机械手将石墨托送入到反应室中的石墨干锅内。退出机械 手之后，关闭反应室与装样室之间的插板阀。整个过程始终保持反应室处于高真空状