溫度對(duì)于實(shí)現(xiàn)SiC薄膜晶型轉(zhuǎn)變

1、個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用溫度對(duì)于實(shí)現(xiàn)SiC 薄膜晶型轉(zhuǎn)變的研究進(jìn)展摘要：SiC 最顯著的特征是同質(zhì)多型體現(xiàn)象，不同晶型的SiC 性質(zhì)也有所不同，其晶型的穩(wěn)定性也有差別 【 1】 。溫度做為一種實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)，可以有效的改變樣品結(jié)構(gòu)。因而通過控制實(shí)驗(yàn)過程中的溫度來實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜晶型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是很有研究意義的。本文主要介紹了襯底溫度和退火溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)以及發(fā)光特性的影響，系統(tǒng)闡述了溫度對(duì)于晶型轉(zhuǎn)變過程的研究進(jìn)展。說明利用射頻磁控濺射法在 Si 襯底上生長 SiC 薄膜過程中溫度的重要性，為下一步通過控制實(shí)驗(yàn)溫度來實(shí)現(xiàn) SiC 薄膜的同質(zhì)異構(gòu)生長及其界面特性做更深層的探究。b5E2RGbCAP關(guān)鍵詞 ：S

2、iC 薄膜射頻磁控濺射結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度引言：碳化硅 <SiC）作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，由于其優(yōu)秀的物理化學(xué)性質(zhì),例如高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場等特點(diǎn)，在高溫、高頻、大功率和抗輻射等方面有巨大的應(yīng)用潛力，近年來對(duì)SiC 材料進(jìn)行了廣泛深入的研究 【 2】 。然而，在具體應(yīng)用方面還有許多困難，原因之一是SiC 體單晶制備難度大，而且價(jià)格昂貴，因此研究主要集中在硅材料上的異質(zhì)外延【 3】。p1EanqFDPw多年來人們通過不懈努力推動(dòng)了制備技術(shù)的發(fā)展 ,但是要使半導(dǎo)體獲得更廣泛的應(yīng)用還面臨巨大挑戰(zhàn)。例如大尺寸、均勻、低缺陷密度、同質(zhì)多型的高純度單晶材料的制備由于是間接帶隙半導(dǎo)

3、體,發(fā)光效率不高 ,如何拓展其在光電子器件方面的應(yīng)用也是目前需要解決的問題層錯(cuò)擴(kuò)張會(huì)導(dǎo)致器件出現(xiàn)退化現(xiàn)象 ,如何消除這種缺陷 ,也面臨不少困難?？傊诤芏喾矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用 ,但目前還有許多問題需要解決。DXDiTa9E3d目前 ,對(duì) SiC 外延膜已做了廣泛、深入的研究 . 對(duì)其結(jié)構(gòu)及光電特性的研究已相當(dāng)成熟 . 研究表明 ,制備方法及工藝參數(shù)對(duì)薄膜的成份、結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)等都有重要的影響 【 20-22】 ,因此研究工藝參數(shù)對(duì)薄膜生長特性及其性質(zhì)的影響很重要 , 但對(duì)于溫度對(duì) SiC 薄膜晶型轉(zhuǎn)變的的影響報(bào)道很少。本文通過綜述襯底溫度和退火溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)以及發(fā)光特性的影響，闡述了下一步實(shí)現(xiàn)S

4、iC 薄膜的同質(zhì)異構(gòu)生長并對(duì)其界面進(jìn)行研究。RTCrpUDGiT一碳化硅的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、應(yīng)用1 SiC 的結(jié)構(gòu) 【4】SiC 是 - 族二元化合物半導(dǎo)體 , 也是元素周期表族元素中唯一一種固態(tài)化合物。按照晶體化學(xué)的觀點(diǎn) , 構(gòu)成 SiC 的兩種元素 Si 和 C, 每種原子被四3個(gè)異種原子所包圍 , 如圖 1.1 所示 , 通過定向的強(qiáng)四面體 SP 鍵結(jié)合在一起 , 并有一定程度的極化。 SiC 晶體具有很強(qiáng)的離子共價(jià)鍵 , 這反映了是一種結(jié)合能量穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 SiC 具有很高的德拜溫度 , 達(dá)到 1200-1430K, 因此決定了材料對(duì)于各種外界作用的穩(wěn)定性, 在力學(xué)、化學(xué)等方面具有優(yōu)越的技術(shù)

5、特性。5PCzVD7HxA1/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 1 1 SiC 的正四面體結(jié)構(gòu)圖 1.2 C-Si的雙層及排列SiC晶體結(jié)構(gòu)具有超過 200種的同質(zhì)異構(gòu)體 , 如閃鋅礦結(jié)構(gòu)、纖鋅礦結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)。一般把纖鋅礦結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)的 SiC多型體統(tǒng)稱為 -SiC, 把閃鋅礦結(jié)構(gòu)的 SiC稱為 -SiC 。對(duì)于六方晶系 ,C軸垂直于三個(gè)相等而相互夾角為 1200的軸 b和 d。所有這些晶體有著十分類似的結(jié)構(gòu)：它們都是由垂直于軸線的完全相同的層組成。然而 , 由于相同層的堆垛次序不同導(dǎo)致在軸方向上每一種結(jié)構(gòu)有各自特定的重復(fù)周期。如圖 1.3 所示 , 將SiC雙分子層看作一個(gè)基本單元 , 則

6、每個(gè) SiC 雙分子層相對(duì)格柵來說可處于三個(gè)不同的位置 , 分別由 A、B、C表示。雙分子層的堆積次序決定了相鄰雙分子層平面中的 C,Si 原子結(jié)合或呈現(xiàn)閃鋅礦結(jié)構(gòu)或呈現(xiàn)纖鋅礦結(jié)構(gòu)。如果堆垛順序?yàn)?ABC-ABC- , 則為閃鋅礦結(jié)構(gòu) , 簡寫為 3C-SiC。對(duì)于 2H-SiC, 堆垛順序?yàn)?AB-AB- 為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。同理 , 對(duì)于 4H-SiC和 6H-SiC的堆垛次序分別為 ABAC-ABAC- 和 ABCACB-ABCACB,- 為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。 jLBHrnAILg2/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 1.3 3C-SiC 、2H-SiC、4H-SiC、 6H-SiC雙分子層的堆垛層次

7、圖 1.4 六方型 SiC 晶胞和立方型晶胞的重要晶面和晶向【 5】2. SiC 的物理和化學(xué)性質(zhì)1.力學(xué)性質(zhì)： SiC 的莫氏硬度為9.2-9.3。克氏硬度為3000 / 2,它的耐磨性比3/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用較高 ,如此使得 SiC 具有好的切割性 ,可用來切割紅寶石 .xHAQX74J0X2. 光學(xué)性質(zhì)：可用來制作發(fā)光二極管具有較好的發(fā)光性能。因?yàn)?SiC 的禁帶寬度較大 ,所以在紫外范圍內(nèi)有較強(qiáng)吸收 ,還可用來制作高效的紫外探測器。在紅外范圍內(nèi) , SiC 的光學(xué)支聲子能量在 95-105meV 之間 ,因而在這個(gè)能量范圍內(nèi)的紅外光有較高的反射效率 ,其反射率幾乎接近 1。其

8、他范圍的紅外光的反射率較低。 LDAYtRyKfE3. 熱學(xué)性質(zhì)： SiC 的熱穩(wěn)定性比較高 ,在常壓下不可能熔化 ,高溫下升華分解為 C和含 Si 的 SiC 蒸汽 ,殘留下來的石墨以原晶體的鷹形存在.。Zzz6ZB2Ltk4. 化學(xué)性質(zhì)： SiC 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 ,耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿 ,因而可用 SiC 作表面防腐蝕層 .。5. 電學(xué)性質(zhì)： SiC 作為典型的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料 ,優(yōu)異的電學(xué)性能使其在軍事、航天等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。不同的晶型的電學(xué)參數(shù)也是有差異的。表1 給出了不同晶型的的主要參數(shù)。 dvzfvkwMI1 表 1 Si 和不同晶型的 SiC 參數(shù)3. SiC 材料的應(yīng)用1. 大功

9、率器件方面【 19】4/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用由于 SiC 材料本身性質(zhì) ,利用 SiC 材料制作的功率器件能通過更大的電流密度且具有很高的阻隔電壓 ,能夠?qū)崿F(xiàn)很高的開關(guān)頻率 ,因而可以用作高電壓開關(guān)、功率放大器、大電流高電壓整流器、電涌抑制器、固相鎮(zhèn)流器等。 rqyn14ZNXI 2 高頻器件方面用 SiC 材料制備的高頻器件能獲得很高的輸出功率 ,且耐高溫和輻射 ,因而可用于通訊系統(tǒng)、相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、電子干擾和預(yù)警系統(tǒng)、 UHF 高清晰電視廣播系統(tǒng) ,以及高頻功率供應(yīng)及微波饋入系統(tǒng)。 EmxvxOtOco3光電器件利用 SiC 對(duì)紅外線輻射不響應(yīng)特性 ,用 SiC 材料制備的紫外探測

10、器可探測紅熱背景下的紫外信號(hào)。另外還可用作紫外放射性測定、紫外光譜探測、燃燒控制中的火焰探測、 彈道導(dǎo) 彈尾焰監(jiān) 測、空氣質(zhì) 量監(jiān)測以及 血氧分 析等。SixE2yXPq54. 高溫應(yīng)用利用 SiC 材料制備的器件能夠在高溫度下工作,如 MOSFET 可在 923K 下工作 ,Schottky 二極管可在 973k 下工作 ,6H-SiC 可在 873K 下工作正是 SiC 器件的高溫特性使得它在許多特殊方面有其獨(dú)特的應(yīng)用 ,如熱敏、氣敏傳感器、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測 ,工業(yè)過程監(jiān)測 ,煙氣、尾氣監(jiān)測以及深井鉆探等以及高密度集成電路等方面。6ewMyirQFL5 其它應(yīng)用同別的半導(dǎo)體器件相

11、比 , SiC 具有很強(qiáng)的耐輻射性能 ,因而可以在高輻射惡劣環(huán)境如太空、核能設(shè)備、同步輻射裝置中應(yīng)用。 kavU42VRUs二 SiC 薄膜的制備技術(shù)由于器件制作要求在特定的襯底上生長具有不同雜質(zhì)濃度的薄膜層 , 針對(duì)不同器件的要求 , 其厚度從亞微 M 到幾百微 M不等。 SiC 薄膜的生長因襯底不分為異質(zhì)外延和同質(zhì)外延。在大尺寸 SiC 體單晶未實(shí)用之前 , 一般都采用單晶 Si 作襯底。 SiC 薄膜制備方法主要有升華、液相外延、磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積以及分子束外延等。y6v3ALoS89由于化學(xué)氣相沉積法 <CVD ），脈沖激光沉積，分子束外延等可制備高質(zhì)量的 Si

12、C 外延膜，但制備過程花費(fèi)較高的代價(jià)，研究人員一直追求比較實(shí)用的制備技術(shù)。因此磁控濺射作為一種成本低，沉積速率高，沉積溫度低，薄膜的粘附性好等特性的技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展，這對(duì)于碳化硅的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要 .。以下是射頻磁控濺射技術(shù)制備 SiC 薄膜的優(yōu)點(diǎn)。 M2ub6vSTnP射頻磁控濺射技術(shù)的特點(diǎn)【6】：射頻磁控濺射是將磁控原理同二次濺射結(jié)合起來的一種方法，它首先具一般的濺射特點(diǎn)。這些特點(diǎn)包括：(1 > 濺射速率高，沉積速率快；<2） 膜層致密、針孔少、純度高；<3） 膜與襯底附著力強(qiáng)，膜厚容易控制；除了這些特點(diǎn)之外，還兼?zhèn)淞松漕l濺射和磁控濺射兩類濺射的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)包

13、括：(1> 低溫、高速、低損傷；(2> 濺射法出來的粒子動(dòng)能大，能形成致密、附著力強(qiáng)的薄膜；(3> 適合制備多種化合物薄膜；5/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用(4> 靶材利用率較低，僅靶表面的中間環(huán)形區(qū)域?yàn)R射快對(duì)貴重的靶材是個(gè)嚴(yán)重的缺陷。三 SiC薄膜的表征由于表征SiC 薄膜性質(zhì)的方法很多，其中包括表征SiC薄膜的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)及光學(xué)性能等。0YujCfmUCw3.1 SiC 薄膜的AFM表征周和鄭 【 7】 利用射頻磁控濺射在 Si 襯底上制備 SiC 微晶薄膜，并進(jìn)行退火處理得到。如圖 3.1 和圖 3.2 是剛沉積的和 200退火后 SiC 薄膜的

14、AFM 圖由圖可知，薄膜呈柱狀或顆粒狀生長，薄膜結(jié)構(gòu)精致，晶粒較均勻且細(xì)小，均呈橢圓狀 。 退火處理后晶 粒變大，表面 粗糙度 從 3.469nm 增大到4.878nm。eUts8ZQVRd圖 3.1 剛沉積的 SiC 薄膜的 AFM 圖圖 3.2 200退火后的 SiC 薄膜的 AFM 圖3.2 SiC 薄膜的 XRD表征沙【8】等人采用磁控濺射技術(shù)在P-Si 基片上制備出 SiC 薄膜樣品在不同退火溫度下的 XRD 譜圖如圖 3.3 所示。根據(jù) PDF 卡片 <粉末衍射卡組）可知，在32.90,61.80 ， 66.10 ， 69.20 和 74.20處 分 別 對(duì) 應(yīng) 著 Si&l

15、t;211 ）， Si<420 ），SiC<109）， Si 基片和 SiC<204）。樣品在經(jīng) 400退火后， XRD 譜圖在 200-400 之間有一個(gè)較寬的非晶包，并伴有硅的衍峰射，說明此時(shí)是晶態(tài)和非晶態(tài)共6/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用存。經(jīng) 600退火后， 200-400 之間的非晶包已明顯減弱，硅的衍峰射強(qiáng)度也在銳減。經(jīng) 800退火后，非晶包和硅的衍射峰均已經(jīng)不見了，取而代之的是兩個(gè) SiC 衍射峰， 1000退火后 SiC 衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。這說明隨著退火溫度的提高，薄膜從非晶態(tài)和晶態(tài)共存逐漸向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，而且 SiC 在 800開始時(shí)就有晶相出現(xiàn)。曾有人用

16、HFCVD 方法在 780生成了單晶 SiC 有報(bào)道說 SiC 最佳的結(jié)晶溫度為 980。 sQsAEJkW5T圖 3.3 SiC 薄膜在不同退火溫度下的XRD 譜圖3.3 SiC 薄膜的 SEM表征邵【9】 等人采用射頻磁控濺射法在單晶Si<100）表面制備了非晶態(tài)SiC 薄膜 <如圖 3.4 ）。對(duì)于制備的 SiC 薄膜不進(jìn)行退火處理直接放在掃描電子顯微鏡<SEM）觀察可以看出，薄膜在未退火時(shí)具有典型的非晶態(tài)形貌 , 由于是室溫濺射 ,薄膜沒有原子的遷移 , 所以保持著沉積時(shí)形成的缺陷和一些大的塊狀組織<圖3.4(a> ）。 GMsIasNXkA隨著退火溫度的

17、升高薄膜表面逐漸發(fā)生原子擴(kuò)散 ,800 時(shí)雖然未顯示出晶態(tài)的轉(zhuǎn)變 , 但此時(shí)薄膜缺陷已明顯減少 , 大塊狀的組織也被細(xì)化 ( 圖 3.4(b>> 。當(dāng)退火溫度為 1000時(shí) , 薄膜顯示出比較好的晶態(tài)結(jié)構(gòu) , 晶粒分布均勻、細(xì)小 , 已達(dá)到納 M 級(jí)別且薄膜致密 ( 圖 3.4(c>> 。退火溫度升高到 1200時(shí) , 晶粒已明顯長大 ( 圖 3.4 (d>> 。 TIrRGchYzg7/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 3.4 在單晶 Si<100）襯底制備 SiC 薄膜在不同溫度退火 1 h 后的表面形貌 ， (a> 不進(jìn)行退火。 (b>

18、800 。 (c>1000 。 (d>1200 7EqZcWLZNX3.4SiC薄膜的 FTIR表征宋【 10】等人采用射頻磁控濺射的方法在 si<100 ）襯底上制備了 SiC薄膜利用傅立葉變換紅外光譜分析 <FTIR）對(duì) SiC薄膜進(jìn)行光學(xué)分析 <如圖 3.5所示）表明-1左右有明顯的吸收峰，對(duì)應(yīng)于6H-SiC的伸縮振動(dòng)吸收峰，而在-1在 883cm1070cm-1和 985cm 左右也存在著吸收峰，對(duì)應(yīng)著 Si O基團(tuán)振動(dòng)吸收模式，可能是由于在實(shí)驗(yàn)過程中，來自于襯底表面的氧，在濺射和退火的過程中向薄膜內(nèi)擴(kuò)散的結(jié)-1果而導(dǎo)致的。在 2280cm 左右的吸收峰是

19、由于存在著 C=0雙鍵的振動(dòng)吸收造成的。以上分析表明，制得的 SiC主要為 6H-SiC，這與 XRD的分析結(jié)果相吻合。lzq7IGf02E8/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 3.5 SiC 薄膜退火后的 FTIR圖譜四溫度度對(duì)于SiC 晶型轉(zhuǎn)變的影響4.1. 退火溫度度對(duì)于SiC 晶型轉(zhuǎn)變的綜述林 【11】 等人利用射頻濺射法在Si 襯底上制備了SiC 薄膜。圖4.1(a>是襯底溫度為 800時(shí)制備的 SiC 樣品的 XRD 圖 .在這個(gè)譜圖中出現(xiàn)的譜峰較多 ,具體的各衍射峰位歸屬列于表 2 中.分析表明 ,在 800條件下制備的薄膜是結(jié)晶狀態(tài)良好的多晶薄 4H-SiC 膜，而對(duì)于低溫

20、下沉積的樣品即襯底溫度為室溫， 400 和600時(shí)其 XRD 譜沒有明顯的衍射峰，說明在較低的襯底溫度下薄膜的主要成分為非晶形態(tài)。zvpgeqJ1hk表 24H-SiC 各個(gè)峰位的參數(shù)數(shù)圖 4.1(b>中給出了襯底溫度為 1000時(shí)制備的 SiC 樣品的 XRD 圖.分析表明 ,d =0.31314nm處的衍射峰是屬于 Si 襯底 (111>晶向的衍射峰。 d =0.25239 nm的尖銳衍射峰為 3C-SiC(111>晶向的衍射峰 .這說明在 1000的高溫下 ,沉積的薄膜主要成分為 3C-SiC,而且此時(shí)樣品的結(jié)晶取向性很好。為了研究襯底溫度對(duì) SiC 薄膜生長的影響 ,

21、實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格控制其他的參數(shù)不變 ,只改變襯底溫度沉積生長 SiC 薄膜 .上述 XRD 結(jié)果表明 ,襯底溫度的不同對(duì) SiC 薄膜的結(jié)晶狀況產(chǎn)生很大的影響。在較低溫度下 (低于 800 >沉積得到非晶薄膜。隨著襯底溫度的升高 , 沉積在襯底上的粒子有一定的生長弛豫時(shí)間 ,并逐漸形成晶核 ,隨襯底溫度和生長速率的不同可以得到不同結(jié)構(gòu)類型的 SiC 結(jié)晶相。由于 3C-SiC 的鍵能較小 ,比較容易成核 ,但極容易產(chǎn)生固相轉(zhuǎn)移 ,因此襯底溫度為 800時(shí)形成的多晶 4H-SiC 是由 3C-SiC 發(fā)生相轉(zhuǎn)移而生長的。在 1000高溫下 ,原子在薄膜表面的弛豫時(shí)間增加 ,有利于 3C-SiC

22、晶核的進(jìn)一步生長。另外 Si 襯底表面的部分揮發(fā)原子容易與被濺射下來 Si 和 C 粒子結(jié)合成鍵 ,對(duì)穩(wěn)定 3C-SiC 晶核的生長也有一定的作用。 NrpoJac3v1.9/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 4.1(a>是襯底溫度為 800 時(shí)制備的 SiC 樣品的 XRD 圖(b>是襯底溫度為 1000時(shí)制備的 SiC 樣品的 XRD 圖宋【 10】 等人用射頻磁控濺射的方法在 Si 片上制備了具有良好生長取向的 6HSiC 薄膜 (如圖 4.2>，在 1050退火 30min 后制備的 SiC 薄膜的 x 射線衍射圖 2=34 320 處的尖銳峰可歸屬于 6H-SiC(1

23、01> 的衍射峰 (d=2 613nm>，這說明沉積的薄膜主要成分為6H-SiC 且結(jié)晶取向很好。衍射峰的半高寬為0228nm，可以根據(jù)謝樂公式算出薄膜的晶粒度為120nm 左右。 1nowfTG4KI10/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 4.2 圖中 <a）是 SiC 薄膜退火后的 x 射線衍射圖譜由圖 4.3 可以看出薄膜表面均勻致密，結(jié)晶程度很好，晶粒度約為150nm。圖 4.3 SiC 薄膜退火后的 SEM 照片并在 Xe 燈 390nm 波長激發(fā)條件下 SiC 薄膜的光熒光譜如圖 4.4，可以看出樣品在室溫條件下均呈現(xiàn)出強(qiáng)的室溫紫光發(fā)射特性，樣品發(fā)光譜的譜峰均位于4

24、14nm(30eV>，與 6HSiC 的禁帶寬度相對(duì)應(yīng)。 6H-SiC 薄膜為間接帶隙半導(dǎo)體材料，它的發(fā)光機(jī)理概括起來有以下三種機(jī)制：(1>量子尺寸限域發(fā)光；(2>缺陷復(fù)合發(fā)光； (3>非晶納M 顆粒定域態(tài)躍遷發(fā)光。量子限域效應(yīng)發(fā)揮作用要求晶粒大小要在10nm 以下，由于我們所制備的樣品晶粒大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10nm，量子限域效不會(huì)發(fā)會(huì)作用。fjnFLDa5Zo11/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 4.4 SiC 薄膜的光熒光譜邵【 9】 等人采用射頻磁控濺射法在單晶 Si(100>表面制備了非晶態(tài) SiC 薄膜 ,并于真空熱處理爐中進(jìn)行 (8001200>

25、15; 1 h 退火處理。 tfnNhnE6e5圖 4.5 為 SiC 薄膜未退火及不同溫度退火時(shí)的 X 射線衍射圖譜。圖 4.5(a> 是未退火時(shí)薄膜結(jié)構(gòu)的衍射譜 ,可以看出此時(shí)薄膜的衍射峰為標(biāo)準(zhǔn)的非晶態(tài)饅頭狀 , 這也印證了前面對(duì)薄膜原始表面形貌的論斷。退火溫度為 800時(shí) ( 圖 4.5(b>>,SiC 薄膜開始向晶態(tài)轉(zhuǎn)變 ,衍射圖譜中已有部分 3C-SiC 的特征峰。退火溫度為 1000 (圖 4.5(c>>時(shí) SiC 薄膜已充分晶化 ,通過衍射峰的分析發(fā)現(xiàn) 2在35.68°、 60.1 °和71.92°處所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)主要為3

26、C-SiC( 即 -SiC>, 而在38.14°和 53.7°處所對(duì)應(yīng)的分別為 4H 和 15R 結(jié)構(gòu)。當(dāng)退火溫度達(dá)到 1200時(shí)(圖 4.5(d>>,薄膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生了非常大的變化呈現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)混合的狀態(tài)。但是主要結(jié)構(gòu)還是顯示為 相碳化硅 ,而此時(shí)在 1000退火時(shí)出現(xiàn)的4H 相在衍射圖譜中已不存在 ,15R 相結(jié)構(gòu)還依然存在并且顯示出較強(qiáng)的衍射峰。此外要說明的是,衍射圖中有的衍射峰沒能找到與之相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)信息 , 如 1000時(shí) 2 在56.08°以及 1200時(shí) 2 在 44° 50°、 74° 80°之

27、間 ,其原因是否與退火溫度的變化使得衍射峰有所偏移有關(guān)還有待進(jìn)一步證實(shí)。 HbmVN777sL12/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 4.5 不同退火溫度后SiC 薄膜的 XRD 圖譜(a) 不進(jìn)行退火。 (b>800 。 (c>1000 。 (d>1200 李 【 12】等人用雙射頻共濺射和濺射后退火的方法在單晶Si (111>襯底上制備了 SiC 薄膜此種方法制備得到 8H-SiC 薄膜 ,在 1.53Pa 時(shí)增大工作壓強(qiáng)有利于 SiC 薄膜退火之后結(jié)晶 ,同時(shí)薄膜沉積速率降低 ,使生長變致密 , 粗糙度減小 ,薄膜表面趨于平滑。對(duì) SiC 薄膜進(jìn)行 850、1000

28、、1150退火 , 結(jié)果表明 ,適當(dāng)升高退火溫度有利于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和晶化程度 ,提高薄膜的致密度 ,降低薄膜中的缺陷密度。 V7l4jRB8Hs圖 4.6 為濺射壓強(qiáng)為 2Pa,經(jīng)不同溫度 (850、1000、1150>退火的 SiC 薄膜的XRD 譜,未退火樣品的 XRD 圖譜為饅頭峰狀 ,表明未退火的薄膜樣品為非晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)退火溫度 Ta=850時(shí) ,XRD 圖譜沒有明顯變化 ,這說明樣品的晶態(tài)結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生顯著的變化。當(dāng) Ta 1000時(shí) ,在衍射圖譜中出現(xiàn)了明顯的 8H-SiC(103> 衍射峰。從圖中可以看出 ,隨退火溫度的升高 , 8H-SiC(103>衍射峰的

29、半峰寬值(FWHM> 減小 ,并且衍射峰的強(qiáng)度有所增加 ,說明有非晶 SiC 向晶態(tài) SiC 轉(zhuǎn)化 ,升高退火溫度有利于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量 ,提高晶化程度。原因是薄膜中非晶態(tài)的 Si 和 C 在高溫下發(fā)生固相反應(yīng)形成 SiC,并且逐漸成核長大 ,從而導(dǎo)致退火后衍射峰變窄。 83lcPA59W9圖 4.6 濺射壓強(qiáng)為2 Pa 經(jīng)不同退火溫度的SiC 薄膜的 XRD 譜13/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用4.2.襯底溫度度對(duì)于SiC 晶型轉(zhuǎn)變的影響陳長青 【 13】 等人在單晶 Si 襯底上采用 RF 磁控濺射技術(shù)異質(zhì)外延生長SiC 薄膜的研究，襯底溫度分別為室溫，200 ,400,600,7

30、00，時(shí)的紫外 -可見光譜，其數(shù)據(jù)結(jié)果及譜線分別表示在表3 及圖 4.7 中。 mZkklkzaaP通過對(duì)SiC 紫外 - 可見光譜的分析，我們看出制備的SiC 薄膜為多晶，以-SiC，閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)為主。由表 3 及圖 4.7 看出：隨襯底溫度升高，晶型向 -SiC 和纖鋅礦結(jié)構(gòu)集中，而且峰位發(fā)生了藍(lán)移，峰寬變小，進(jìn)一步表明了襯底溫度越高，結(jié)晶質(zhì)量越好，量子尺寸效應(yīng)顯著。 AVktR43bpw 表 33 不同襯底溫度下 SiC 的紫外 -可見光譜吸收峰的聲子組合圖 4.7 不同襯底溫度時(shí)的紫外 -可見譜毛旭【 14】等人射頻磁控濺射法在Si(100>襯底上制備出襯底溫度分別為3

31、00、14/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用450、 600的碳化硅薄膜并對(duì)薄膜進(jìn)行了拉曼光譜。在 Si(100>襯底上生長出立方碳化硅 a-SiC 薄膜并且薄膜材料的結(jié)晶度隨著襯底溫度的升高而改善。ORjBnOwcEd拉曼光譜測量 #4， #5，#6 樣品的如圖 4.7 所示各樣品的峰位如表 4 所示，其中 #4 出現(xiàn)了五個(gè)峰， #5 出現(xiàn)了四個(gè)峰， #6 出現(xiàn)了三個(gè)峰，與 文獻(xiàn) 【15-18 】 報(bào)道 的 SiC 特征峰出現(xiàn)進(jìn)行比較，樣品在 297cm-1 處出現(xiàn)的峰為非晶硅， 431cm 1 處的峰位為非晶硅， 512cm 1 處為單晶 Si<100）的特征峰 960cm 1 處

32、為 a-SiC 的特征峰 14611 492cm 1 處的峰為石墨相或無定形碳。 2MiJTy0dTT說明在氬離子的轟擊下部分SiC 靶材料形成非晶硅和無定形碳，從而#4 出現(xiàn)1， 1492cm11 之間的峰 ，#6 出297， 431cm之間的峰， #5 出現(xiàn) 297，1461cm現(xiàn) 1482cm1 的峰。這是由于部分粒子受到氬離子轟擊后又成為Si 和碳，因此形成了富 C 區(qū)和富 Si 區(qū)，其中 C 為石墨相或無定形碳， Si 為非晶 Si。而且所制樣品都是在小于和等于600下制備，因此所出現(xiàn)的物相也與相圖中的低于1000時(shí)的富硅和富碳時(shí)的一致。說明在300 和 450時(shí)有部分非晶硅存在與薄

33、膜中，隨著襯底溫度升高而使非晶硅漸漸晶化，從圖4.7 中各樣品可以看出，升溫只是使非晶Si 部分晶化，而14611492cm1附近的石墨相或無定形碳，以及 960cm1 附近的 a-SiC 變化并不顯著，說明了在300600之間時(shí)，升高生長溫度對(duì) a-SiC 和石墨相或無定形碳的影響很小，但對(duì)濺射引起的非晶硅卻有晶化的作用。并且峰位的半峰寬 FWHM/cm 1 隨襯底溫度的升高而減小，說明薄膜質(zhì)量隨溫度升高而變好。明顯Si 單晶的峰512cm 1 的半高寬也在減小，說明了非晶 Si 得到了進(jìn)一步晶化。另外 960cm 1 附近的 a-SiC 不僅強(qiáng)度降低，而且相對(duì) Si 的強(qiáng)度也降低 該現(xiàn)象有

34、待于進(jìn)一步分析研究。 gIiSpiue7A表 4Si 100 襯底拉曼光譜測量的樣品峰位圖 4.7 Si(100>襯底上薄膜的拉曼光譜15/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用六總結(jié)與展望總結(jié)SiC 作為現(xiàn)在熱門的第三代寬帶隙半導(dǎo)體,在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。然而在薄膜的制備方面仍有不少問題需要解決。本文通過在Si 襯底上利用射頻磁控濺射技術(shù)，在不同退火和襯底溫度下生長SiC 薄膜的進(jìn)行了調(diào)研。對(duì)于不同環(huán)境條件下生長SiC 薄膜有不同的晶型，很多利用Si 襯底生長 SiC 薄膜的實(shí)驗(yàn)中，在不同襯底溫度和退火溫度處理過程后生長晶型大多數(shù)為 3C-SiC 薄膜，但也有其他其他晶型的 SiC 薄膜。因

35、而，在控制生長過程的溫度來生長其他晶型的 SiC 對(duì)于以后 SiC 薄膜制備應(yīng)該具有廣泛的研究價(jià)值。 uEh0U1Yfmh展望對(duì)于不同環(huán)境條件下生長SiC 薄膜有不同的晶型，很多利用Si 襯底生長 SiC 薄膜在不同溫度處理過程中生長的晶型多以3C-SiC 晶型為主，但對(duì)于通過控制生長過程的溫度因素來生長其他晶型的SiC 研究卻很少。本論文針對(duì)通過控制生長過程的退火溫度和襯底溫度來實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC 薄膜晶型的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)SiC 薄膜同質(zhì)異構(gòu)的外延生長，并探尋生長的優(yōu)化溫度參數(shù)，并對(duì)其界面特性進(jìn)行研究。另一方面，可以使我們進(jìn)一步對(duì)SiC 的能帶結(jié)構(gòu)、表面極性、表面及界面等物理問題更深入的認(rèn)識(shí)，可能為寬

36、帶隙半導(dǎo)體材料的外延生長和基于其制備的器件的開發(fā)和應(yīng)用提供重要信息。 IAg9qLsgBX參考文獻(xiàn)1.劉金峰 SiC 薄膜的 SSMBE 外延生長及其結(jié)構(gòu)表征科大博士論文20072.安 霞；莊惠照；楊鶯歌；李懷祥；薛成山，在 Si<111）上磁控濺射碳化硅薄膜的 H2 退火效應(yīng)，半導(dǎo)體學(xué)報(bào)， 2002.6 ， 593WwghWvVhPE3.劉技文；李娟；許京軍射頻磁控濺射工藝參數(shù)對(duì)SiC 薄膜發(fā)光性能的影響光電子 -激光 2006.5asfpsfpi4k4. 蘇劍鋒 寬禁帶半導(dǎo)體 SiC 和 ZnO 的外延生長及其摻雜的研究 科大博士論文20085. 武煜宇寬帶隙半導(dǎo)體SiC_ZnO 的

37、同步輻射光電子能譜研究科大博士論文20086. 薄膜物理與技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 20017.周繼承；鄭旭強(qiáng)，傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006.10，1407-14088 沙振東；吳雪梅；諸葛蘭劍，退火溫度對(duì) SiC 薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響， 微細(xì)加工技術(shù) ， 2006.2 ooeyYZTjj19.邵紅紅；張亮；高建昌；蘇波，退火溫度對(duì)SiC 薄膜表面形貌和結(jié)構(gòu)的影響 ， 金屬熱處理 ， 2009.9，73BkeGuInkxI10. 宋曙光；沈鴻烈；王美玲；高 超；袁成逸，過渡金屬 Mn 對(duì) SiC 薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響，真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2008.5-6.，240-243PgdO0sR

38、lMo11. 林洪峰；謝二慶；馬紫微；張軍；彭愛華；賀德，射頻濺射法制備3C-SiC 和 4H-SiC 薄膜 ， 物理學(xué)報(bào)， 2004.8 ， 2781-27823cdXwckm1512. 李強(qiáng)；楊瑞霞；潘國峰；王如；魏偉，工作壓強(qiáng)和退火溫度對(duì)SiC 薄膜16/17個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用結(jié)構(gòu)的影響，納M 材料與結(jié)構(gòu)， 2009.5，292-294h8c52WOngM13.陳長青；毛旭；周禎來；陳剛；楊宇， SiC 薄膜紅外及紫外 - 可見光譜的研究紅外技術(shù)， 200514. 毛旭；陳長青；周禎來；楊 宇；吳興惠，磁控濺射生長 SiC 薄膜的拉曼光譜研究電子元件與材料 ，2005.8v4bdyGious15.Feldman D W, Parkey J H, Jr Choyke W J, et al. Ploytyes of monocrystalsJ0bm4qMpJ9SiC and their lig