纳米SiC薄膜的光电特性毕业论文.doc

目 录纳米SiC薄膜的光电特性研究毕业论文目 录第1章 绪 论11.1研究目的和意义11.2 SiC材料的结构和性质31.3低维SiC材料合成以及其光学和电学特性的研究进展51.3.1纳米碳化硅薄膜的制备进展51.3.2纳米碳化硅薄膜的发光研究进展61.3.3纳米碳化硅薄膜的电学特性和光电器件研究进展71.4当前主要存在问题和本文主要工作8第2章 实验原理及技术102.1 样品的制备102.2 薄膜的形貌和结构分析技术102.2.1傅里叶变换红外吸收谱（FTIR）102.2.2 X射线的衍射分析（XRD） 112.2.3 原子力显微镜（AFM）112.2.4扫描电子显微镜（SEM）122.3薄膜的光学特性表征技术122.3.1紫外可见光透射谱(UV-VIS Transmission)122.3.2光致发光谱(PL)和荧光激发谱（PLE）132.4薄膜的电学、光电特性表征技术132.4.1薄膜电阻率和异质结的I-V特性的测量132.4.2异质结的表面光电压测量15第3章 纳米碳化硅薄膜的制备及紫外发光特性183.1不同氢气条件下纳米碳化硅薄膜的结构特性193.2纳米碳化硅的紫外发光223.3本章小结23第4章 掺杂纳米碳化硅的光学和电学特性244.1磷掺杂对纳米SiC结构的影响244.1.1不同比例掺杂的红外谱分析254.1.2掺杂纳米碳化硅薄膜的Raman谱264.1.3掺杂纳米SiC的表面形貌274.2掺杂纳米SiC薄膜的光学特性284.2.1掺杂纳米碳化硅的光吸收特性284.2.2掺杂纳米碳化硅薄膜的光致发光特性304.3掺杂纳米SiC薄膜的电学特性314.3.1电导率测量的方法和结构314.3.2 SiC的欧姆接触324.3.3不同掺杂比例的SiC薄膜的电导率324.3.4掺杂纳米SiC薄膜的导电机制334.4掺杂纳米碳化硅/硅异质结的电学特性364.4.1 n-p nc-SiC/Si异质结的I-V特性374.4.2 nc-SiC/Si异质结的电输运特性384.5本章小结41第5章 纳米碳化硅/硅异质结的光电压特性425.1光照作用下p-n结能带结构的变化425.2 nc-SiC/Si异质结的表面光电压特性435.2.1 SiC在异质结中的窗口效应435.2.2不同偏压下nc-SiC/Si异质结中的光电压特性445.3 nc-SiC/Si异质结的时间分辨光电压特性465.4 本章小结49结束语51参考文献54致谢58I第1章 绪论第1章 绪论1.1研究目的和意义现代微电子、光电子技术的高速发展，带动了半导体材料及其新型器件的发展。硅（Si）是主宰当今电子工业的材料，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以下的热环境中工作，而且最高工作频率、最大允许电流、器件频率和放大特性、抗辐射损伤、耐高击穿电压性能以及发光的波长范围等都不能完全满足微电子技术高度发展对高温、高频、高功率、高速度以及抗恶劣环境、发射高亮度蓝色可见光的新要求。碳化硅（SiC）是继第一代半导体材料硅和第二代半导体材料砷化镓（GaAs）之后发展起来的第三代半导体材料，并且是一种应用潜力巨大的极端电子学材料。由于SiC材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力，并将逐步取代现有的硅和砷化镓基光电器件。许多国家相继投入了大量的资金对SiC进行了广泛深入的研究，并己在SiC晶体生长技术、关键器件工艺、光电器件开发、SiC集成电路制造等方面取得了一定的突破，为军用电子系统和武器装备性能的提高，以及抗恶劣环境的电子设备提供了新型器件，一场碳化硅引导的电子工业革命变革时代即将到来。传统微电子技术中信息的载体是电子，随着信息技术的高度发展，它已严重限制了信息处理的速度和能力。为了推动信息产业的发展，人们一直希望将光子作为信息载体引入集成技术形成光电子集成来突破此“瓶颈”效应。前两种应用的前提是需要一个能够工作在77K以上的硅基光源和光探测器。光发射器件作为芯片上光互连基本器件的组成之一，它包括硅基和非硅基发光器件主要是指III- V族半导体发光器件。III- V族化合物都是直接带隙材料，发光效率很高；但由于现代的超大规模集成电路是制造在硅片上的(晶体硅、锗作为传统的微电子技术的基础材料，它们占当前整个半导体产品的95%，广泛应用于计算机和各种电子产品)，加之可以利用现有的完善的硅平面集成电路技术，虽然硅是间接带隙半导体，发光效率很低，研究硅基发光材料无论是从技术发展还是经济效益看都是比较合理的。硅基发光器件主要围绕如何提高发光效率和光子能量而被人们广泛关注着，并且短波长的发光器件由于具有更高的存储密度和更快的读写速度，也已成为信息领域中半导体器件研究的一个热点。在硅基发光材料中，半导体纳米复合薄膜尤其是硅基纳米镶嵌复合薄膜，由于纳米粒子的引入，基于量子尺寸效应的能隙宽化、可见光光致发光、共振隧道效应、非线性光学等独特的光电性能可望在光电子领域得到广泛应用，从而引起了国内外材料界和物理界的高度重视。硅基纳米颗粒在绝缘基质中受外界影响小，发光性能稳定，并且基质SiC中某些缺陷能够发射可见光1，且致密稳定，与硅有极好的匹配，可以广泛应用于硅器件和集成电路工艺。SiC由于较高的带隙（2.0evEg10?100介电常数11.812.59.79.6/109.6698.55.5电阻率（.cm）100015010111012101010131013热导率（Wcm-1K-1）1.50.464.94.9（3.0-3.8）1.33.022吸收边（m）1.40.850.500.370.360.120.22折射率3.53.42.72.73.322.42硬度 Kg mm2100060039802130C0120010000在宽带隙的半导体研究中，碳化硅尤其受到人们的青睐。这是由于碳化硅的物理化学性能相当优异,如表1-1所示。与硅相比，碳化硅具有更宽的禁带宽度(是硅的2倍) ；更高的击穿电场(为硅的7到10倍)；高的热导率(是硅的3倍以上)和高的电子饱和速率(是硅的2倍以上)。这些特性使它可望用于紫外传感器以及高温、高频、大功率电子器件，尽管它的载流子迁移率略低。此外，它的化学惰性以及抗辐射性能对于工作在恶劣环境下的电子器件和传感器来说也颇具吸引力。与金刚石相比，它的优点是热力学稳定性、可作p型或n型掺杂，并且表面可生成自然氧化物，这一点对于器件工艺有相当重要的作用。我们知道氧化物在单晶硅器件制备中起了相当大的作用，如隔离、栅氧化物以及注入扩散等工艺中的自对准掩膜等，在碳化硅器件工艺中氧化物也可以起类似的作用。因此，可以说基于碳化硅的电子器件有着非常好的应用前景。1.3 低维SiC材料合成以及其光学和电学特性的研究进展1.3.1 纳米碳化硅薄膜的制备进展虽然人们很早就发现了SiC材料的独特性质，但直到90年代，伴随着硅基发光材料研究的不断深化和纳米科学技术的日益发展，SiC半导体材料才开始向低维方向开拓并得以飞速发展，许多不同纳米量级SiC材料的制备方法不断涌现出来，如：球磨法、C+注入法、自组织生长法、激光烧蚀沉积技术和化学气相沉积技术等1314，其中对于化学气相沉积法，因其可与大规模集成电路工艺相兼容，可以大面积沉积等优点，近年来倍受关注。然而，利用这项技术沉积的碳化硅膜大多数为非晶结构，沉积晶态SiC大多需要较高的衬底温度，由此引起自动掺杂等一系列问题严重影响了制备薄膜的性能。因此，到目前为止如何在较低的衬底温度下制备高质量的SiC薄膜是当前研究的热点问题15-17。对于较低的温度下纳米SiC薄膜制备及其新型功能的研究，Lee等人采用PECVD沉积技术，使用SiH4, CH4. H2气体，在射频功率为I50W，工作气压为40Pa，衬底温度为600的条件下制备出纳米SiC薄膜18，1998年日本的Y.Sun和T.Miyasato报道了氢等离子体溅射陶瓷SiC靶在(111)Si片上制备了纳米晶-SiC膜19。在国内，西安理工大学应用物理系雷天民等人采用热丝化学气相沉积（HFCVD）技术，使用SiH4,CH4,H2气体，在衬底温度为600-1100的条件下，也制备出纳米SiC薄膜 20。1.3.2 纳米碳化硅薄膜的发光研究进展硅基发光材料是光电子集成的基础材料之一。随着纳米科学的发展，硅基发光材料正向纳米方向开拓。然而，对于光电集成和全色显示所需蓝光发射的实现相当困难。SiC是一种宽禁带半导体，在高温高压和大功率器件方面有重要价值，同时又是一种有希望的蓝光材料, 50keV的C+注入P型(100) Si片，经950 N2环境退火后和电化学腐蚀形成多孔结构-SiC，其可显现出蓝光发射特性2122。研究表明，505nm和480nm峰位为C+注入样品所特有，且随C+注入剂量增大，PL谱中短波长成分增大21。多孔碳化硅(PSC)有极好的发光稳定性23，在自然存放、光辐射及高温氧化条件下，发光强度和峰位基本上保持不变。他们认为纳米-SiC的量子限制效应是蓝光发射的原因。陈长清等采用PECVD法制备了性能优异、紫外光激发下可发射绿光的氢化非晶碳化硅(a-SiC:H)膜，光学带隙(E0pt)为2. 92eV。以射频溅射SiC靶，沉积非晶SiC薄膜经高温真空退火成功地在Si(111)上制备出晶态SiC薄膜，高温退火后，SiC晶粒尺寸增大，XRD峰明显窄化。以4.96eV紫外光激发，产生一相对较强、峰值位于2.88eV(430nm)的蓝光发射带24。王玉霞等25采用脉冲ArF激光烧蚀陶瓷SiC靶，在800 Si(111)衬底上淀积SiC膜，然后经920真空(10-3Pa)退火处理制备出晶态SiC膜。在室温条件下以280nm光激发薄膜，峰位在341nm处获得了半峰宽为45nm的短波发光。1.3.3 纳米碳化硅薄膜的电学特性和光电器件研究进展近年来所出现的SiC研究热的最大驱动力在于新型碳化硅光电器件的探索，而继纳米碳化硅室温下光致发光现象之后，碳化硅的电致发光的实现使碳化硅在光电器件方面的发展又前进了一步。然而由于SiC结构及其发光特性的复杂性，关于碳化硅光电特性深入研究工作的报道较少。己有的研究表明，碳化硅对蓝紫光比普通的硅器件更敏感，并且光照下的稳定性比非晶硅高，可以工作在更高的温度，并且同样具有较高的光生伏特效应。但是本征碳化硅中由于禁带宽度较大，费米能级处于禁带之中，室温下导带是空的，理论没有自由载流子，因此本征载流子浓度非常低，所以本征的薄膜表现为电阻率很高，因此，为了实现有商业用途的碳化硅器件，完善掺杂、欧姆接触等工艺是不可或缺的。与Si器件工艺相比，由于SiC 的键强度高,杂质扩散所要求的温度(1800)大大超过标准器件工艺的条件, 所以器件制作工艺中的掺杂不能采用扩散工艺,大多都在生长过程中引入掺杂剂的原位掺杂方式,个别用离子注入掺杂。SiC材料常用n型掺杂剂为N(N2 ,NH3)或P(PH3),p型掺杂剂为Al或者B。研究表明，PECVD制备的未掺杂的a-SiC:H的电阻率一般为1012.cm量级，通过重B掺杂电阻率可以下降到105.cm，而通过P掺杂可以下降到107.cm。而本征氢化纳米碳化硅薄膜（nc-SiC:H）的电阻率依赖于晶粒尺寸大小和晶化度在105-109.cm，一般通过B掺杂后得到的电阻率为103.cm26。华中科技大学等对纳米4H碳化硅薄膜的掺杂进行了研究，发现纳米碳化硅薄膜具有高掺杂效率,且其电导预前因子与激活能满足正常和反转Meyer-Neldel规则。通过电导率的温度依赖关系测量，结果显示其载流子输运机制解释为纳米晶体中热激发到导带的电子在经过非晶态与晶体界面及非晶态本身时被隧穿,又在纳米晶体之间产生渗流,从而导致电导率增高27。碳化硅和单晶硅的有机结合开辟了硅基器件的一个新领域。单晶硅上外延生长SiC因为成分低，基片大并可以用于异质结二极管、异质结晶体管、结场效应二极管和抗恶劣条件的探测器等优点受到了许多人的关注28。2003年中科院半导体所通过低压化学气相沉积的方法在p型硅(100)上得到了n-3C-SiC/p-Si异质结，其器件参数达到了反向击穿电压为220V，理想因子为1.65，内建电场为0.75V29。S. Kerdiles等对低温生长的n型纳米碳化硅/p型硅异质结进行了研究，发现这种异质结在室温具有较好的电学特性，2V对应的整流比为104，并且通过测量I-V随温度的变化研究了其导电机制：较低的正偏压下，电流随电压指数增加，导电过程主要受产生-复合过程控制，而较高的正偏压下串连阻抗效应逐渐明显，此时主要是被PooleFrenke效应放大的热发射过程30。1.4 当前主要存在问题和本文主要工作自从20世纪90年代，特别是美国Cree公司生产的SiC体单晶及外延片商业化以来，SiC材料及器件相关工艺的研究在国外己成为热点。如前所述，在SiC材料以及一些特殊器件的制取方面取得了巨大的进展。尽管如此，长期以来，SiC并未得以广泛应用，它仍是一种不成熟的半导体。这其中主要是因为，现在对SiC的研究一般还都采用着和Si一样的思路和方法，这势必会给研究结果带来误差，但是SiC的结构远远比Si复杂，所以在研究过程中经常遇到前所未有的困难。例如目前对纳米碳化硅的发光研究中报道的发光能量还远远小于纳米SiC发光所能达到的极限。掺杂技术作为SiC器件的一个重要工艺，高效、均匀的掺杂仍是目前急需解决的问题,利用这一技术制备的SiC的器件的性能还远远不能满足要求。目前商业化的SiC器件还主要是基于SiC同质结的器件，对于nc-SiC/Si的异质结二极管的研究还很少。因此很有必要对纳米SiC的更短波长的光发射，更有效的纳米碳化硅掺杂和掺杂纳米SiC薄膜及nc-SiC/Si异质结二极管的电学和光电性能做进一步的研究。所做的主要工作：（1）、采用螺旋波等离子体增强化学气相沉积（HWP-CVD）技术，改变实验参量（H2的流量）沉积具有更短的发光波长，具有六角对称结构的纳米SiC薄膜。利用X射线衍射谱对其进行晶型、晶向、晶粒大小分析。采用原位掺杂技术对此薄膜进行了n型磷掺杂，通过改变掺杂剂和源气体的流量比，得到具有不同电导率的纳米SiC薄膜以及不同性能的nc-SiC/Si异质结二极管。（2）、利用傅里叶变换红外吸收光谱、拉曼光谱、扫描电镜、原子力显微镜分析等对掺杂以后的SiC薄膜的键合结构和薄膜的形貌和微结构进行表征，分析n型磷掺杂的主要掺杂机理和掺杂对薄膜微结构的影响。利用紫外可见近红外吸收光谱对不同掺杂比例的薄膜的光学带隙和吸收系数等进行表征。利用光致发光谱技术对不同比例的掺杂纳米碳化硅薄膜的光致发光进行了研究。（3）、研究掺杂纳米碳化硅的电学特性和SiC/Si异质结的整流特性。测量了不同的掺杂比例下所得到的纳米碳化硅薄膜的电导率，分析了电导率随掺杂比例的变化规律。通过电导率随温度的变化规律，研究纳米纳米SiC薄膜主要的电流传导机制。研究了n-p nc-SiC/Si异质结二极管的整流特性及其电流传导机制。（4）、研究nc-SiC /Si异质结二极管的光电压特性。测量光照下二极管的整流特性及光照下异质结的界面能带变化。测量不同波长的光电压响应以及不同偏压下的光电压响应，研究了SiC的窗口效应和nc-SiC/Si界面电场随外电场的变化。测量了时间分辨的光电压信号和不同偏压下的时间分辨光电压信号，分析了异质结中光生电子-空穴对的衰减过程及其与外加电场之间的关系。- 7 -第2章 实验原理及技术第2章 实验原理及技术本章简单介绍薄膜的制备方法和纳米碳化硅薄膜的光学和电学特性的检测和分析的各种手段的实验原理和实验方法。2.1样品的制备样品采用了螺旋波等离子体增强化学气相沉积技术（HWP-PECVD）制备，制备薄膜的装置是一套由螺旋波等离子体产生室和薄膜沉积反应室组成的高真空系统3132。其原理是利用气体放电，将低压原料气体等离子体化，形成活性的激发态分子、原子、离子和原子团等，使化学反应增强，诱发非平衡的薄膜沉积条件，这将显著降低薄膜的沉积温度，使得某些原来需要在高温下进行的反应过程得以在低温实现。实验中分别采用双面抛光的p型单晶Si（111）和7059玻璃为衬底。反应前先将硅衬底在10%的HF中浸泡5分钟，再用去离子水漂洗和丙酮、乙醇清洗后置于反应室中。在薄膜沉积过程中，H2作为等离子体产生气体，由等离子体产生室上部引入，SiH4和CH4混合气体作为反应前驱气体在等离子体产生室下部馈入，流量分别为0.6和1.2 sccm。其它实验条件分别为温度保持在500 ，射频耦合功率800 W，外加静态磁场200高斯。2.2薄膜的形貌和结构分析技术为了确定本实验技术条件下所得薄膜的质量和微观结构，在实验室制备出纳米SiC薄膜后，需要对样品进行一系列的分析测试。对于本文实验我们做了如下的表征：扫描电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶变换红外吸收谱、X射线的衍射分析等。2.2.1傅里叶变换红外吸收谱（FTIR）红外光谱为物质分子振动的分子光谱，反映分子振动的能级变化及分子内部的结构信息。在中红外区即400-4000cm-1的波数范围内，不同的分子振动对不同波长（波数）红外辐射的吸收程度是不同的，因此当不同波长的红外辐射照到样品表面时，某些波长的辐射可能被样品选择性地吸收而减弱，于是形成红外吸收光谱。红外光谱所揭示的固体原子振动模式可以分为两类：一类是成键原子之间相对位移的振动模式，包括键长有变化的伸缩模式和键角有变化的弯折模式；另一类是成键原子之间位移没有变化的转动模式，包括摆动、滚动和扭动三种。转动的本质也是一种振动，只不过相关原子之间的区别仅在于转轴不同。本实验中采用Bio-Rad 60V 型傅里叶变换红外透射光谱仪(波数范围为400-4000cm-1，分辨率为4 cm-1)测量了Si衬底上沉积的纳米硅薄膜的傅立叶红外光谱。2.2.2 X射线的衍射分析（XRD）当X射线与晶体中诸原子中的电子作用时，在一定条件下会在空间各个方向产生散射。由于原子在空间呈周期性排列，这些散射将在某些方向叠加而产生干涉增强，形成衍射峰。对于非晶态固体，由于原子在空间的无规则排列，X射线衍射无特征衍射峰。但由于短程有序的存在，利用小角X射线散射，可以得到无规则网络结构的近邻关系和检验无规则网络的有序程度。每种晶体都有一组特征晶面间距,可用来标识它的晶体结构。只要测出某种材料的X射线的衍射谱，再求出每个衍射峰对应的晶面间距，就能参照已知晶体结构的晶面间距和衍射峰的相对强度等数据，很方便地进行物相鉴定。对于微晶及纳米晶结构的研究，X射线是常用的测试手段,这种方法简单易行且对样品无破坏性。本实验样品的X射线衍射分析在Rigaku D/max 型X射线衍射仪 ( 12 kw , Cuk radiation)上进行的。2.2.3 原子力显微镜（AFM）原子力显微镜（AFM）问世于1986年，其工作原理是：一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号，从而对样品表面形貌和粗糙度进行研究。原子力显微镜能够测量数量级为10-13-10-14N的力，它的纵向分辨率可达到10-1nm的数量级。它可以直接用于对电介质、金属和半导体表面形貌的研究，且对观察微小固体外观更有效。AFM可以弥补SEM仅能观察金属和半导体的不足，但它对样品的表面光滑度却有较高要求，这一点使其使用受限。本实验采用美国Digital Instrument 公司生产的Dimension 3000型原子力显微镜对样品形貌和表面粗糙度进行研究。探针构成材料为Si3N4.2.2.4 扫描电子显微镜（SEM）扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗 粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的能量为5 35keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。2.3 薄膜的光学特性表征技术2.3.1 紫外可见光透射谱(UV-Vis Transmission)任何材料对光都或多或少地反射和透射，即使对同一种材料，不同波段光的反射和透射特性也不同，当一束光由空气入射到薄膜上，透过第一个界面，穿过薄膜，再透过第二个界面，在另一方向透射出来，光在薄膜中的振幅发生衰减（吸收），位相也要发生变化，同时光在第一和第二界面都会被反射。因此在入射和透射方向可能产生多次反射或多次透射光的叠加，形成干涉花样。透过率T与入射光波长（或频率）之间的关系叫做透射光谱。根据透射光谱可推导出材料的光学带隙值和薄膜的吸收谱。本实验样品所用的紫外-可见透射光谱仪的型号为WFZ-36。测试波段为200-800nm。2.3.2 光致发光谱（PL）和荧光激发谱（PLE）采用光激发注入的方式产生非平衡载流子引起的发光，称为光致发光（PL）。光致发光光谱是研究半导体材料物理性质的有力工具。研究半导体材料的发光特性可以得到有关带隙态和载流子复合机制的信息。光致发光测量的基本原理是，当激发光源发出hvEg的光照射到被测样品表面时，由于激发光在材料中吸收系数很大（通常大于104cm-1），通过本征吸收，在材料表面一定厚度以内的区域里激发产生大量的电子-空穴对，使样品处于非平衡态。这些非平衡载流子一边向体内扩散，一边发生复合。通过扩散，发光区将扩展到深入体内约一个少子扩散长度的距离。电子-空穴对通过不同的复合机构进行复合，其中的辐射复合方式所发出的光发射，通常称为荧光。荧光在逸出表面之前会受到样品本身的自吸收。荧光逸出表面后，经会聚进入单色仪分光，此后经探测器接受转变成电讯号并进行放大和纪录，从而得到发光强度按光子能量分布的曲线，即光致发光光谱图。光致发光激发谱（PLE）是当激发光波长扫描时测量发光的发射强度。它与PL谱不同的是，激发谱记录的是一个选定的某发射波长的强度随激发光波长的变化，这是用以获得关于杂质缺陷中心吸收和主晶格的基本吸收的一个传统方法。此外PLE谱可以把发光同吸收两个方面联系起来，但PLE技术对非辐射复合是无能为力的。2.4 薄膜的电学、光电特性表征技术2.4.1 薄膜电阻率和异质结的I-V特性的测量由于碳化硅的禁带宽度比较大，一般都大于 2eV,在未掺杂且符合化学配比的理想情况下,由原子外层电子形成的能带是充满的,导带是空的,Fermi能级处于禁带之中。在室温下,价带中的电子无法通过热激发而越过较宽的禁带,只要外加电场不是特别强,理论上应该没有可以自由移动的载流子存在,因此表现为电的绝缘体（电阻率1012.cm）。在碳化硅中掺入价态不同的金属离子或负离子,当掺杂离子以替代形式占据晶格中相应离子的位置时,由于不符合化学计量配比,就会有多余的电子或空穴出现,被束缚在掺杂离子周围,但是,这个束缚作用相当微弱,室温下的热运动就可以给它提供足够的能量使之脱离束缚而在晶体中自由运动,形成 N 型或 P 型自由载流子。如果掺杂离子的价态高于被替代离子,则形成 N 型半导体;反之,则可能形成P 型半导体。掺杂碳化硅的电导率正比于自由载流子浓度 NC。自由载流子浓度与掺杂浓度密切相关。然而,掺杂离子在碳化硅中的溶解度是有限的,而且,掺杂离子是一种晶格缺陷,对电子有较强的散射作用,如果浓度较高,则会严重影响载流子的迁移率。因此,单就电导率而言,在有足够多自由载流子的情况下,掺杂离子浓度应当越低越好。在理论上,载流子浓度最高可以达到掺杂浓度的 n 倍,其中 n 为掺杂离子与被替代离子的价态差。如果将p型半导体和n型半导体通过一定的工艺有机的结合起来，在其交界面附近的电子和空穴便因浓度差，而产生相向的扩散运动，同时留下不能移动的正、负离子即势垒层或空间电荷区因此产生内建电场，其方向由n指向p区，其场使电子和空穴作漂移运动，随着扩散运动的持续，内建电场也随着加强，即漂移运动阻碍扩散运动的力量即时地加强，很快这两种运动达到相互平衡，于是形成处于动态平衡下的势垒层即半导体p-n结。这种热平衡下的p-n结具有统一的费米能级（EF）。从p-n结的形成机理看，只有当外加电压（场）方向与内建电场方向相反时，即以外力破坏原有的动态平衡，使p区和n区统一的费米能级分离开来，才能有外注入电子或空穴，形成回路电流，流过p-n结的电流满足 （2.1）其中IS主要由温度决定的正向饱和电流，u为外加电压，UTkT/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电量，常温下UT26mV。同时实践还证明，当正向电压较小时，外电场力不足以有效克服p-n结内电场力对多子扩散造成的阻力，只有正向电压增大到一定值时，才有明显的电流流过。对于p-n结具有单向导电性，如果在P-N结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时P-N结呈现的电阻很低，即P-N结处于导通状态。如果在P-N结上加反向电压，外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，于是空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，P-N结的反向电阻很高，即P-N结处于截止状态。本实验中薄膜的电阻率量是根据电阻定律，导体的电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面成反比，即 （2.2）为比例常数，称为电阻率或比电阻，单位为.cm。本实验中采用双探针法测量7059玻璃上的薄膜的电阻，薄膜电阻R可以通过探针两端的电压U和流过样品的漏电流I之比得到，即 （2.3）最终得到电阻率的表达式： （2.4）对于碳化硅/硅异质结的I-V特性测量，分别在在样品的正反两面接电极，加上不同的方向和大小的偏压，记录不同偏压下电流的变化即可得到。本实验中薄膜电阻率和I-V特性的测量均使用了HP100电学参量分析仪的漏电流和I-V特性分析功能，输入参数后实验数据可由电脑采集，给出结果。2.4.2 异质结的表面光电压测量表面被定义为有不同物理特性媒介的边界。比如半导体和真空/空气的表面称为“自由表面”，半导体和其它固体之间的表面称为“交界面”。但人们通常用术语“表面”来表示任何界面。在半导体的表面或者交界面由于局域的表面态或者界面态的影响，常常容易形成空间电荷区（SCR），在空间电荷区因为存在电场，所以在半导体的表面或者界面通常存能带弯曲表面和界面势垒，这些势垒处于一种动态平衡状态，因为这些势垒的影响，使表面和体内部之间存在电势差Vs ，Vs也被定义为表面电势33。表面光电压（SPV）指光照引起的表面电势的变化，并且两者的大小相等符号相反。半导体得到合适能量的光子的照射以后，在吸收的光子诱导作用下产生了电子的跃迁，产生的电子空穴对将影响原来处于动态平衡状态下的内部电场，表面电势发生变化，从而产生表面光电压的变化。表面电压的变同时化还决定于表面和界面空间电荷层的能带弯曲的变化决定，其不仅敏感于表面而且敏感于材料的界面34。因此表面光电压技术可以用于获得关于半导体表面和界面的特性，并且这种技术和半导体表面无接触，对样品无污染。本实验表面光电压测量的实现采用了电容耦合方式，实验装置如图2-4-1所示。主要由连续光源系统、分光系统、SPV耦合系统、数据采集系统组成。实验采用在可见、近红外具有连续辐射谱的150W的卤钨灯作光源，经单色仪分光后，用透镜聚焦成截面积约为0.6cm2的光束，再经斩波器斩波后照射到样品上，SPV耦合系统给出的交流信号输入到锁相放大器（SRS510），由数据采集系统得到相对于波长（或能量）变化的SPV光谱。为了减小外界噪声的影响，整个系统进行了适当的光电屏蔽。图 2-4-1 实验装置结构图石英棱镜单色仪样品盒锁相放大器数据采集系统斩波器透镜光源SPV采集系统以电容耦合为基础，导电玻璃为顶部电极，铜底座为底部电极，入射光由调距螺母的孔隙经导电玻璃照射到样品上。样品位于铜底座上，铜底座已经被聚四氟乙烯与主体的样品支架绝缘，导电玻璃安装在一个线性可移动的螺旋测微仪上，用来调节导电玻璃和样品间的距离。螺旋测微仪的分辨率是1m。样品盒装置如图2-4-2所示。另外，为获得真实信号，需满足以下实验条件：1、保持基本的小信号条件，即|SPV|2eV)。6H-SiC相比则具有更宽的带隙，利用其宽禁带特性更适合用于短波长发光器件和光电器件，因此SiC作为光发射器件可选材料而得到人们的关注。但由于其间接带隙特性，利用外延等技术所制备SiC发光器件发光效率极低。近年来结合纳米材料的量子限制效应，纳米SiC材料表现出强的短波发射特性，为其在光通讯、全色显示等领域的应用提供了可能。SiC纳米发光结构的制备表现出与纳米Si相似的困难，所制备纳米结构的表面缺陷是制约其发光特性的重要因素，近年来的实验结果显示，采用阳极氧化技术所制备的多孔SiC结构虽能表现出较强的室温发光，其一般固定在某一波长的特征与SiC粒子表面缺陷紧密相关，激光化学气相沉积法制备的纳米粉的发光效率和波长主要决定于SiC晶粒表面的非晶成分。纳米尺度SiC结构制备还有其特有的多相共存及Si、C物相分离等限制因素，SiC的热退火一般表现Si、C物相的分离，Si+和C+离子注入SiO2所制备的纳米薄膜也呈现为SiC和纳米Si晶粒混合相的蓝-白发光特征。寻找能够实现量子效应为主要发光机制的纳米结构制备技术是SiC发光特性研究得的基础问题。等离子体增强化学气相沉积是实现薄膜结构制备的常用技术，并且这种技术和大规模集成电路相兼容，其所提供的非平衡热力环境为纳米材料制备提供了有利条件，采用高氢等离子体环境，该技术已经成功用于Si:H和Ge等纳米薄制备。在SiC的制备中许多实验都表明了较低的氢气条件下在低温得到的纳米SiC为立方结构的3C-SiC，但是如果想获得6H-SiC等其它晶型，往往需要更高的衬底的温度，然而更高的衬底温度容易引起自掺杂等系列问题，因此有必要通过改变其它条件寻找合适6H-SiC这一非常有前景的发光材料的生长区。本章的工作主要采用螺旋波等离子体化学气相沉积技术尝试了具有量子限制效应的纳米SiC薄膜制备，通过X射线衍射、傅立叶红外透射等技术对所沉积薄膜的结构、组分进行了表征，并采用光致发光技术对薄膜的所表现出的紫外发光特性进行了初步分析。3.1 不同氢气条件下纳米碳化硅薄膜的结构特性表3-1不同氢气流量变化时的沉积条件样品号衬底温度()外加磁场(gauss)射频功率（W）沉积气压（Pa）沉积时间（min）SiH4流率（sccm）CH4流率（下部馈入）（sccm）H2流率（sccm01200.61.26021.08031.4100图3-1-1不同氢气流量下的红外吸收谱（a）60（b）80（c）100 Sccm表3-1给出了通过改变H2的流量来得到不同的氢气稀释比例下的纳米碳化硅薄膜的实验条件。图3-1-1为硅(111)衬底上沉积的纳米SiC的傅立叶红外透射谱。可以看出，三个样品的红外光吸收在波数800 cm-1左右均呈现出强的SiC的TO声子特征伸缩振动所对应的吸收峰。1100cm-1 处的较小吸收对应于CHn键的摇摆吸收模式，另外对应SiH和CH伸展振动模式的2100 and 2900 cm-1处的吸收峰的存在也说明了薄膜中具有少量的键合氢。2350 cm-1左右处较强的吸收峰是由于样品测试时仪器不能很好地扣除空气中水分子吸收背景所致。以上结果表明，所制备的薄膜中碳和硅成分主要以Si-C键合形式存在。同时, 因采用高氢稀释等离子体生长环境, 薄膜中有少量以Si-H和C-H形式存在的键合氢成分。为分析薄膜中晶