SiC薄膜的SSMBE外延生長及其結(jié)構(gòu)表征.pdf

1、SiC 作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，因具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在高溫、高頻、高壓、大功率的電子器件以及光電子器件等應(yīng)用領(lǐng)域中占有重要地位。而利用固源分子束外延(SSMBE)技術(shù)外延生長SiC薄膜，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。我們在國內(nèi)首次利用 SSMBE 技術(shù)，在 Si 單晶襯底上異質(zhì)外延生長出高質(zhì)量的3C-SiC 單晶薄膜，在 6H-SiC 單晶襯底上同質(zhì)外延并生長出基于 SiC 同質(zhì)異構(gòu)的量子阱結(jié)構(gòu)，并利用同步輻射、原位RHEED以及一些常規(guī)

2、的分析測試方法對其結(jié)構(gòu)、成份、形貌和發(fā)光特性進(jìn)行研究。主要的研究工作及結(jié)果如下： 1 高溫 SSMBE 設(shè)備的建立和關(guān)鍵部件的研制 參與設(shè)計(jì)并研制出襯底溫度可達(dá) 1400℃，并仍可在超高真空條件下穩(wěn)定工作的高溫樣品架和用于蒸發(fā)Si、C的電子束蒸發(fā)器。該蒸發(fā)器具有體積小，設(shè)計(jì)簡單，裝配方便、能穩(wěn)定蒸發(fā)速率及價格低廉的優(yōu)點(diǎn)。在上述關(guān)鍵部件研制的基礎(chǔ)上，建立了國內(nèi)首臺可外延生長SiC薄膜的高溫SSMBE系統(tǒng)。這為進(jìn)一步開展外延

3、生長SiC薄膜的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 2 Si 襯底上 SiC 的異質(zhì)外延生長及其結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)研究 系統(tǒng)地研究了在Si表面異質(zhì)外延生長 3C-SiC 薄膜的過程中，碳化、碳化溫度、生長溫度、束流 Si/C 比、蒸發(fā)速率等工藝參數(shù)對外延膜質(zhì)量的影響，并分別得到了相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)，最終得到了高質(zhì)量的 3C-SiC 薄膜，其(111)衍射雙晶搖擺曲線半高寬僅 1.1°。在更高的襯底溫度(1250℃)下，生長得到了 6H-Si

4、C 薄膜。利用 RHEED 和 SRPES 詳細(xì)研究了C<,60> 在Si襯底上吸附以及 C<,60>/Si 樣品通過高溫退火形成 SiC 薄膜的過程。利用同步輻射的X射線掠入射衍射(GID)得到了 SiC 薄膜不同深度處的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變信息。發(fā)現(xiàn)越遠(yuǎn)離界面，薄膜應(yīng)變越小，晶體質(zhì)量也越好，表明隨著遠(yuǎn)離界面，SiC 和 Si 之間的失配造成的影響會越來越小。結(jié)合常規(guī) XRD 發(fā)現(xiàn)，SiC 薄膜處于二軸張應(yīng)變狀態(tài)，是由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配

5、造成的。SiC 薄膜具有不同的傾斜和扭轉(zhuǎn)畸變，前者的角分布寬度大于后者，是由 SiC 晶格的失配位錯造成。同步輻射真空紫外光激發(fā)的低溫光致發(fā)光譜顯示 3C-SiC 的近帶邊發(fā)射隨著 SiC/Si 薄膜的結(jié)晶質(zhì)量的提高而增強(qiáng)。 3 6H-SiC(0001) 表面的同質(zhì)外延及同質(zhì)異構(gòu)量子阱結(jié)構(gòu)的生長及其結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)研究 實(shí)現(xiàn)了 6H-SiC(0001)表面重構(gòu)的新方法，即通過維持或停止 Si 束流可實(shí)現(xiàn)同一溫度下3×3與平

6、方根3×平方根3重構(gòu)可逆轉(zhuǎn)化。該方法得到的3×3重構(gòu)是高溫(1350K)下的3×3重構(gòu)，與同一溫度下的平方根3×平方根3重構(gòu)及低溫(1100K)3×3 重構(gòu)相比，高溫3×3 重構(gòu)更有利于原子的遷移，對薄膜的生長有利。在 SiC 薄膜同質(zhì)外延生長過程中，調(diào)節(jié) Si/C 束流比可影響表面的富 Si 狀態(tài)，從而影響表面重構(gòu)、生長模式和薄膜晶型。通過調(diào)節(jié)束流中的 Si/C 比，可實(shí)現(xiàn)先成核后臺階流動的生長模式并利用該模式生長出 6H-SiC/3

7、C-SiC/6H-SiC 的同質(zhì)異構(gòu)量子阱結(jié)構(gòu)。常規(guī) XRD結(jié)果表明我們生長的同質(zhì)異構(gòu)量子阱結(jié)構(gòu)樣品的薄膜與襯底間存在 0.3°的傾斜角，薄膜的搖擺曲線半高寬為 0.09°。GID進(jìn)一步證實(shí)薄膜與襯底間存在偏角，樣品為 6H-SiC/3C-SiC/6H-SiC 量子阱結(jié)構(gòu)，并得出在 3C-SiC 的隨機(jī)成核階段，產(chǎn)生的缺陷如孿晶導(dǎo)致薄膜晶體質(zhì)量變差，而后續(xù)的臺階流動生長則會逐步消除這些缺陷而使晶體質(zhì)量變好。室溫下激光激發(fā)的光致發(fā)光(PL