Si基SiC薄膜和低維SiO-,2-的生長(zhǎng)及其光致發(fā)光機(jī)理研究.pdf

1、SiC半導(dǎo)體材料是自第一代半導(dǎo)體材料(Si、Ge)和第二代半導(dǎo)體材料(GaAs、InP、GaP、InAs和AlAs等)之后發(fā)展起來(lái)的第三代寬帶隙半導(dǎo)體。由于制備SiC體單晶非常困難而且價(jià)格昂貴，因此SiC薄膜的異質(zhì)外延生長(zhǎng)是重要的。目前，人們研究較多的是在Si襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)SiC薄膜。但由于Si和SiC的晶格常數(shù)及熱膨脹系數(shù)的不匹配，在SiC/Si界面處易形成空洞缺陷。這些空洞缺陷使薄膜的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)變差，嚴(yán)重影響SiC/Si器件

2、性能及其集成的發(fā)展。所以，有必要尋求生長(zhǎng)無(wú)界面空洞缺陷的SiC/Si薄膜的工藝和方法。此外，SiC的自然氧化物和Si一樣都是SiO<,2>。SiO<,2>不僅被應(yīng)用于光學(xué)器件，還被廣泛的應(yīng)用于Si基、SiC基的微電子器件。因此，它的光學(xué)活性缺陷對(duì)于這些器件是十分重要的。 本論文的內(nèi)容可分為兩大部分：一是探索了無(wú)界面空洞缺陷的SiC/Si薄膜的生長(zhǎng)，并研究了其界面微結(jié)構(gòu)與物性等；二是研究了低維SiO<,2>材料的生長(zhǎng)及其光致發(fā)光的

3、機(jī)理。主要內(nèi)容有： ·PS/Si疊層熱解反應(yīng)法生長(zhǎng)SiC薄膜的制備、結(jié)構(gòu)和物性：我們?cè)? atm的Ar氣氛下用PS/Si疊層熱解反應(yīng)法生長(zhǎng)了SiC薄膜，優(yōu)化了工藝條件，給出了SiC薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程。在1250℃時(shí)，優(yōu)化生長(zhǎng)條件，獲得了2.51 A密排面取向的晶態(tài)SiC薄膜。薄膜表面平整，無(wú)明顯的界面空洞缺陷。我們用空位聚集理論解釋了空洞缺陷形成的機(jī)理，以及抑制空洞缺陷的原因。利用Mie的散射理論能很好的解釋SiC薄膜樣品的TO～L

4、O之間寬的紅外吸收，這與其他研究者給出解釋不同。結(jié)合薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程，這樣的紅外吸收說(shuō)明少量的C擴(kuò)散進(jìn)入了Si襯底的深處并形成了分散的SiC小顆粒。我們用紅外光譜的方法研究了SiC薄膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，得出在1250℃以下的溫度薄膜生長(zhǎng)是2D模式，高于1250℃溫度時(shí)薄膜生長(zhǎng)是3D模式，在1270℃以上，SiC的揮發(fā)明顯，并計(jì)算了不同溫度下生長(zhǎng)的SiC薄膜的厚度。對(duì)處理后樣品的XPS分析得出在薄膜表面上的SiO<,2>層是在SiC生長(zhǎng)末期

5、的降溫過(guò)程中形成的，樣品實(shí)際結(jié)構(gòu)為SiO<,2>/SiC/Si。此外，我們還表征了薄膜的電學(xué)性質(zhì)，優(yōu)化生長(zhǎng)的SiC薄膜呈現(xiàn)出了較好的Ⅰ-Ⅴ特性。對(duì)SiC薄膜樣品的光致發(fā)光進(jìn)行了詳細(xì)討論，首次發(fā)現(xiàn)了SiO<,2>/SiC的界面的NITs的發(fā)光。NITs是在SiO<,2>/SiC界面處存在的一個(gè)重要的勢(shì)阱缺陷，它嚴(yán)重的影響了SiC基MOS結(jié)構(gòu)器件的電學(xué)性質(zhì)。目前NITs的構(gòu)型還是未知的，而關(guān)于NITs的信息還多來(lái)源于電學(xué)測(cè)量，這是首次用光學(xué)

6、方法探測(cè)出NITs缺陷，因此我們的這一發(fā)現(xiàn)對(duì)光學(xué)探測(cè)NITs、研究NITs和制作SiC基MOS器件有非常重要的意義。 ·用PS/OCS/Si疊層熱解反應(yīng)法制備SiC薄膜。在真空(10-<'3>Pa)條件下最佳生長(zhǎng)溫度是1050℃，獲得單晶的6H-SiC；在5×10<'4>Pa的Ar氣氛下最佳生長(zhǎng)溫度是1300℃，主要獲得單晶的4H-SiC薄膜。探討了不同條件下生長(zhǎng)的SiC薄膜晶型不同的原因。SEM表面和界面分析表明，兩種條件下都

7、可以生長(zhǎng)無(wú)空洞缺陷的SiC薄膜，這是由于致密的SiO<,2>層阻止了Si原子的外擴(kuò)散，同時(shí)本身又參加反應(yīng)提供Si形成SiC。 ·我們制備了非晶SiO<,2>線并研究了它的生長(zhǎng)機(jī)制和強(qiáng)藍(lán)光發(fā)射的發(fā)光機(jī)制。在非晶Si02線中觀察到了一個(gè)峰值約為2.84 eV的寬藍(lán)色發(fā)光峰，并伴有3.0 eV的肩峰。這個(gè)寬發(fā)光峰從2.84到3.0 eV的區(qū)間發(fā)光強(qiáng)度變化不大。大多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為這個(gè)發(fā)光是來(lái)自SiO<,2>體系中熟知的ODC(Ⅱ)。但是這樣

8、的結(jié)論缺乏發(fā)光峰的本征性質(zhì)的支持。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們研究了這個(gè)藍(lán)光發(fā)射的衰減、激發(fā)峰、發(fā)光峰形等本征性質(zhì)，結(jié)果表明這個(gè)發(fā)光峰不是來(lái)源于SiO<,2>體系中的ODC (Ⅱ)，也沒(méi)發(fā)現(xiàn)有已知的Si02點(diǎn)缺陷的發(fā)光能匹配它。對(duì)這個(gè)藍(lán)光發(fā)射的發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了更深入的分析后，我們認(rèn)為這個(gè)寬藍(lán)色發(fā)光峰是由相關(guān)聯(lián)的2.8 eV和3.0 eV發(fā)光峰因?yàn)?非晶寬化效應(yīng)"加寬后重疊形成的；260 nm激發(fā)下的衰減譜符合雙曲線衰減規(guī)律，說(shuō)明這個(gè)發(fā)光可能與SiO