硅及相關(guān)化合物納米材料的實(shí)驗(yàn)及理論研究.pdf

1、硅基材料是目前半導(dǎo)體工藝中使用最多的一種材料，可以毫不夸張的說(shuō)，硅基半導(dǎo)體是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石。在硅基材料的制備工藝中，硅的熱氧化是一個(gè)非常重要的步驟，盡管對(duì)硅的氧化研究已經(jīng)開(kāi)展了幾十年，然而，對(duì)于其中的物理機(jī)制的理解依然是有限的。這里，我們基于納米尺度下的熱擴(kuò)散理論，系統(tǒng)的研究了硅熱氧化中存在的問(wèn)題，發(fā)展了一套硅熱氧化的動(dòng)力學(xué)模型，完美的描述了硅的熱氧化行為，揭示了其中的物理機(jī)制。首次引入了納米尺度效應(yīng)進(jìn)入硅的氧化過(guò)程，成功的解決了

2、存在于平面硅熱氧化中的起始異常的氧化行為，揭示了納米尺度效應(yīng)可能是造成硅起始異常氧化行為的物理起源。（ii）擴(kuò)展我們硅氧化理論到超薄氧化（>2nm）過(guò)程中，首次提出了一個(gè)超薄氧化理論模型，對(duì)該最新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出了成功的描述。為未來(lái)電子器件微型化的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。（iii）把我們的理論模型擴(kuò)散到二維的情況，首次在理論上提出了硅納米線的氧化模型，成功的定量的描述了硅納米線氧化過(guò)程的奇異行為—自限制氧化行為，為今后硅納米線器件的發(fā)展提供了

3、理論基礎(chǔ)。在成功的發(fā)展了一系列硅熱氧化模型后，我們?cè)诠锜釘U(kuò)散理論的指導(dǎo)了，試圖來(lái)設(shè)計(jì)和制備其他的硅基材料。碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料是繼第一代元素半導(dǎo)體材料（Si）和第二代化合物半導(dǎo)體材料（GaAs、GaP、lnP等）之后發(fā)展起來(lái)的第三代半導(dǎo)體材料，具有間接寬禁帶、大的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率和高的電子飽和漂移速度等特點(diǎn)，使其在高溫、高頻、高功率和抗輻射等極端環(huán)境下工作的光電子器件制備方面有著巨大的應(yīng)用前景。我們通過(guò)簡(jiǎn)單的熱蒸發(fā)的方法，沒(méi)有

4、使用任何額外的催化劑和模板，在硅襯底上成功的制備了各種一維SiC納米結(jié)構(gòu)，如垂直排列的一維碳化硅納米金字塔陣列、大面積單晶管狀碳化硅納米體系、一維碳化硅納米線、六棱柱形貌的碳化硅納米體系。并提出了相應(yīng)的理論模型來(lái)揭示其形成機(jī)制，此外，通過(guò)改變反應(yīng)溫度，我們提出了一種簡(jiǎn)便的控制SiC納米結(jié)構(gòu)形貌的方法，并針對(duì)該現(xiàn)象提出了一個(gè)理論模型解釋。 本論文主要有如下兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)： 1、在理論上，基于熱擴(kuò)散思想，提出了一整套硅熱氧化動(dòng)力

5、學(xué)模型，首次引入納米尺度效應(yīng)進(jìn)入硅的氧化行為中，基于不同情況下的氧化過(guò)程，成功解決了硅的起始異常的氧化行為和首次成功描述了硅的超薄氧化現(xiàn)象?；谠撃Ｐ?，首次定量的揭示了硅納米線的自限制氧化行為的物理起源，第一次成功的預(yù)言和描述了該現(xiàn)象。 硅的起始異常氧化行為一直是硅基理論中的一個(gè)盲點(diǎn)，經(jīng)典的Deal—Grove模型不能描述該異常行為。這里，不同與Deal—Grove模型，我們提出了一個(gè)新的模型，基于熱擴(kuò)散的思想，引入了納米尺度效

6、應(yīng)，認(rèn)為硅的氧化僅僅由熱擴(kuò)散所主導(dǎo)，而與化學(xué)反應(yīng)速率無(wú)關(guān)，成功的描述了硅熱氧化起始異常氧化行為?；谧钚碌膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示了超薄氧化過(guò)程中隧穿電場(chǎng)作用，首次提出了硅的超薄氧化動(dòng)力學(xué)模型，成功的描述了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此外，我們通過(guò)考慮了二維非一致的形變，提出了擴(kuò)散激活能是尺度，位置和氧化過(guò)程的函數(shù)，首次定量的描述了硅納米線的自限制氧化行為，揭示了該行為的物理起源。 2、在實(shí)驗(yàn)上，基于熱擴(kuò)散思想，通過(guò)簡(jiǎn)單的熱蒸發(fā)方法，在遠(yuǎn)離觸媒和模板的情況

7、下，首次制備出了垂直排列的碳化硅納米金字塔陣列和大面積單晶管狀碳化硅納米體系，并提出了相應(yīng)的理論模型來(lái)解釋其生長(zhǎng)機(jī)制。 我們利用熱蒸發(fā)的方法，通過(guò)使用碳納米粉作為碳源，硅片作為硅源和襯底材料，沒(méi)有額外的催化劑和模板的條件下，在1350度下成功的制備了垂直排列的一維碳化硅納米金字塔陣列，通過(guò)一系列的表征，我們認(rèn)為該納米體系的垂直生長(zhǎng)是由于與襯底外延的關(guān)系，并提出了一個(gè)理論模型去解釋其生長(zhǎng)機(jī)制。通過(guò)改變碳源，我們利用C60在相同的溫