MOCVD異質(zhì)外延硅基ZnO和SiC薄膜及其特性研究.pdf

1、SiC是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其具有優(yōu)秀的電學(xué)、化學(xué)和導(dǎo)熱性能，因此SiC器件經(jīng)常被應(yīng)用于高溫、高電場(chǎng)、高輻射這些應(yīng)用領(lǐng)域。單晶SiC薄膜生長(zhǎng)一直是研究的重點(diǎn)。同質(zhì)外延單晶SiC薄膜較為容易實(shí)現(xiàn)，但是SiC很昂貴。Si襯底具有十分優(yōu)秀的性能而且比較廉價(jià)，但是異質(zhì)外延SiC/Si比較困難，主要由于晶格失配和熱膨脹失配等因素造成的。本論文就SiC/Si薄膜的制備展開(kāi)了研究。 ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其室溫下的

2、禁帶寬度為3.36eV,由于其具有紫外發(fā)光的特性，近來(lái)受到研究者的廣泛關(guān)注。ZnO在高效率光散發(fā)設(shè)備和其它光學(xué)方面有應(yīng)用前景，所以要進(jìn)行高質(zhì)量的ZnO薄膜制備的研究。由于晶格失配，ZnO/Si的異質(zhì)結(jié)質(zhì)量不高，現(xiàn)在主要應(yīng)用過(guò)渡層或表面處理的方法進(jìn)行改善。本論文圍繞ZnO薄膜的MOCVD異質(zhì)外延這個(gè)課題開(kāi)展了研究，通過(guò)ZnO薄膜生長(zhǎng)條件的探索以及Si襯底上各種過(guò)渡層生長(zhǎng)ZnO薄膜的研究，最終利用3C-SiC作為過(guò)渡層，在Si(111)襯底

3、上實(shí)現(xiàn)了單晶ZnO薄膜的異質(zhì)外延。主要的研究工作及結(jié)果如下： 1．高質(zhì)量單晶SiC薄膜的制備利用低壓高溫MOCVD系統(tǒng)，成功的在Si(111)和Si(100)基片上外延出了具有高質(zhì)量的SiC薄膜。通過(guò)XRD和微區(qū)拉曼測(cè)量表明外延的SiC薄膜為3C-SiC。SiC/Si薄膜具有良好的結(jié)晶質(zhì)量，SiC(111)X射線搖擺半寬僅為0.3度，這在國(guó)內(nèi)報(bào)道中屬于領(lǐng)先水平。 2．RF預(yù)處理對(duì)ZnO/Si生長(zhǎng)的影響用MOCVD設(shè)備生長(zhǎng)

4、ZnO/Si薄膜，除了對(duì)襯底進(jìn)行常規(guī)的化學(xué)清洗以外，在生長(zhǎng)前進(jìn)行Ar RF的預(yù)處理，是氬離子對(duì)硅表面進(jìn)行一定的破壞，處理能量從0～150W進(jìn)行了梯度變化，再以同樣的生長(zhǎng)條件進(jìn)行原位生長(zhǎng)。對(duì)于樣品我們分別作了XRD、PL、AFM測(cè)量，發(fā)現(xiàn)Ar-RF預(yù)處理對(duì)薄膜結(jié)晶有很大影響，未作處理的樣品一般呈多晶態(tài)，而處理后的樣品在一定能量范圍內(nèi)晶格取向有顯著提高，但隨預(yù)處理能量達(dá)到一定限值后取向性被破壞。預(yù)處理對(duì)于發(fā)光也有很大的影響，在一定能量范圍內(nèi)

5、發(fā)光強(qiáng)度只隨處理能量加大緩慢衰減，但在高能量狀態(tài)下，發(fā)光明顯減弱，峰位也隨之變化可見(jiàn)氬離子轟擊硅表面形成了缺陷，這些缺陷在生長(zhǎng)中順延在ZnO部分，并且這些缺陷是發(fā)光淬滅中心，隨能量的增加而增加。 3．緩沖層生長(zhǎng)ZnO薄膜利用直流濺射，先在Si襯底上濺射一層ZnO多晶薄膜，通過(guò)對(duì)直流濺射時(shí)間的控制，可以得到不同厚度的ZnO緩沖層。再利用MOCVD設(shè)備生長(zhǎng)高質(zhì)量的ZnO薄膜。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，直流濺射ZnO薄膜的厚度對(duì)于最終的薄膜質(zhì)量有

6、很大的影響。隨著緩沖層的引入，雙晶衍射XRD的搖擺半寬有顯著下降，并且隨著最終ZnO薄膜質(zhì)量上升，光致發(fā)光也有顯著的提升?？梢?jiàn)緩沖層的引入對(duì)ZnO/Si薄膜的質(zhì)量和發(fā)光強(qiáng)度有很大的貢獻(xiàn)。另外我們?cè)囼?yàn)了用SiC作為過(guò)渡層的生長(zhǎng)方法，在Si基片上外延出高質(zhì)量的ZnO薄膜。測(cè)量了樣品的XRD和搖擺曲線，以及室溫下的PL譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SiC過(guò)渡層的引入的確大大提高了ZnO薄膜的質(zhì)量和發(fā)光性能，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)Si上制備Zn0單晶薄膜這一前沿課題