寬禁帶半導(dǎo)體SiC和ZnO的外延生長(zhǎng)及其摻雜的研究.pdf

1、作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，SiC和ZnO由于其自身優(yōu)異的性能一直是人們研究的熱點(diǎn)。SiC具有高的遷移率、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高頻、大功率、耐高溫、抗輻射等電子器件方面有著巨大的應(yīng)用潛力。然而，SiC單晶價(jià)格昂貴，這就促使人們繼續(xù)探討在Si襯底上異質(zhì)外延SiC薄膜。ZnO的激子結(jié)合能高達(dá)60meV，被認(rèn)為是有望取代GaN的新一代短波長(zhǎng)光電子材料。但是高質(zhì)量的p型ZnO制備的困難阻礙了ZnO基激光二極管、發(fā)光二極管的實(shí)用化進(jìn)程。

2、另一方面尋找其它p型材料來異質(zhì)外延n型ZnO薄膜以期能夠?qū)崿F(xiàn)異質(zhì)pn結(jié)的電致發(fā)光的方法也引起人們的廣泛關(guān)注。 圍繞上述背景，本論文主要開展了以下工作： 1)Si襯底上SiC薄膜的異質(zhì)外延生長(zhǎng)一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)?！皟刹椒ā笔窃赟i襯底上異質(zhì)外延SiC薄膜的基本工藝，但在高溫碳化過程中硅襯底中的硅原子向外擴(kuò)散容易導(dǎo)致界面空洞的產(chǎn)生，這對(duì)后期器件制備很不利，在此基礎(chǔ)上我們提出了“三步法”外延SiC薄膜，即碳化—小流量緩沖層一

3、生長(zhǎng)。在碳化過程中引入硅烷可以有效地抑制襯底中硅原子的外擴(kuò)散，避免界面空洞的產(chǎn)生，并提高SiC薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。這一改進(jìn)，可大大改善基于SiC/Si異質(zhì)結(jié)、ZnO/SiC/Si異質(zhì)結(jié)的器件。 2)采用三甲基鋁(TMA)做摻雜源，制備p型SiC薄膜。少量TMA的引入可以改善SiC薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，增加生長(zhǎng)速率，并使薄膜中的應(yīng)力發(fā)生變化，生長(zhǎng)模式由三維島狀生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎S層狀生長(zhǎng)模式。由于Si(100)和Si(111)襯底的表面自由能

4、不同，所以受TMA的影響不一樣。成功制備了Al:SiC/n-Si異質(zhì)結(jié)并對(duì)該異質(zhì)結(jié)進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)測(cè)量和深能級(jí)瞬態(tài)譜分析，Al受主能級(jí)位于價(jià)帶之上220meV。p型SiC薄膜的研制為以后制備n-ZnO/p-SiC異質(zhì)結(jié)提供了基礎(chǔ)。 3)研究了Al摻雜ZnO薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，結(jié)合以前N摻雜ZnO薄膜的研究結(jié)果采用射頻輔助裂解N<,2>及N-Al共摻雜的方法進(jìn)行ZnO的p型摻雜研究。通過改變RF功率和TMA流量研究不同N/Al對(duì)Zn

5、O薄膜光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響，并對(duì)本征ZnO薄膜和呈現(xiàn)p型性質(zhì)的ZnO薄膜進(jìn)行變溫的光致發(fā)光測(cè)量，摻雜與未摻雜的ZnO薄膜中均存在3.312eV附近的發(fā)光峰，我們把它歸為與No有關(guān)的受主束縛激子A<'0>X。與未摻雜的相比，摻雜薄膜中的A<'0>X發(fā)光峰向低能方向稍有移動(dòng)，這與Al的引入對(duì)No受主能級(jí)的影響有關(guān)。在摻雜薄膜的變溫PL譜中，觀測(cè)到FA的存在，據(jù)此估算得受主能級(jí)位置為183.7meV。進(jìn)一步對(duì)呈現(xiàn)p型性質(zhì)的ZnO薄膜進(jìn)行變激發(fā)

6、密度測(cè)量，證明了DAP峰位指認(rèn)的正確性。 4)利用二已基鋅(DEZ)和H<,2>O做源在MOCVD系統(tǒng)上初步探索低溫下生長(zhǎng)高質(zhì)量的ZnO薄膜。研究發(fā)現(xiàn)用H<,2>O做氧源可大大提高ZnO薄膜的光學(xué)性質(zhì)。通過對(duì)載氣總流量、源流量比、襯底溫度等生長(zhǎng)工藝參數(shù)進(jìn)行初步優(yōu)化后，采用過渡層技術(shù)得到了結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)都比較好ZnO薄膜。通過對(duì)退火溫度和退火氣氛的研究發(fā)現(xiàn)，可見發(fā)光與V<,o>、V<,Zn>、O<,Zn>有關(guān)。AFM表面形貌顯示，