SiC薄膜的SSMBE外延生长及其结构表征

摘要

SiC 作为第三代宽带隙半导体材料，因具有优异的物理化学性能，在高温、高频、高压、大功率的电子器件以及光电子器件等应用领域中占有重要地位。而利用固源分子束外延(SSMBE)技术外延生长SiC薄膜，具有其独特的优势。我们在国内首次利用 SSMBE 技术，在 Si 单晶衬底上异质外延生长出高质量的3C-SiC 单晶薄膜，在 6H-SiC 单晶衬底上同质外延并生长出基于 SiC 同质异构的量子阱结构，并利用同步辐射、原位RHEED以及一些常规的分析测试方法对其结构、成份、形貌和发光特性进行研究。主要的研究工作及结果如下： 1 高温 SSMBE 设备的建立和关键部件的研制 参与设计并研制出衬底温度可达 1400℃，并仍可在超高真空条件下稳定工作的高温样品架和用于蒸发Si、C的电子束蒸发器。该蒸发器具有体积小，设计简单，装配方便、能稳定蒸发速率及价格低廉的优点。在上述关键部件研制的基础上，建立了国内首台可外延生长SiC薄膜的高温SSMBE系统。这为进一步开展外延生长SiC薄膜的研究打下了坚实的基础。 2 Si 衬底上 SiC 的异质外延生长及其结构和发光性质研究 系统地研究了在Si表面异质外延生长 3C-SiC 薄膜的过程中，碳化、碳化温度、生长温度、束流 Si/C 比、蒸发速率等工艺参数对外延膜质量的影响，并分别得到了相应的优化参数，最终得到了高质量的 3C-SiC 薄膜，其(111)衍射双晶摇摆曲线半高宽仅 1.1°。在更高的衬底温度(1250℃)下，生长得到了 6H-SiC 薄膜。利用 RHEED 和 SRPES 详细研究了C<,60> 在Si衬底上吸附以及 C<,60>/Si 样品通过高温退火形成 SiC 薄膜的过程。利用同步辐射的X射线掠入射衍射(GID)得到了 SiC 薄膜不同深度处的结构和应变信息。发现越远离界面，薄膜应变越小，晶体质量也越好，表明随着远离界面，SiC 和 Si 之间的失配造成的影响会越来越小。结合常规 XRD 发现，SiC 薄膜处于二轴张应变状态，是由于晶格失配和热膨胀系数失配造成的。SiC 薄膜具有不同的倾斜和扭转畸变，前者的角分布宽度大于后者，是由 SiC 晶格的失配位错造成。同步辐射真空紫外光激发的低温光致发光谱显示 3C-SiC 的近带边发射随着 SiC/Si 薄膜的结晶质量的提高而增强。 3 6H-SiC(0001) 表面的同质外延及同质异构量子阱结构的生长及其结构和发光性质研究 实现了 6H-SiC(0001)表面重构的新方法，即通过维持或停止 Si 束流可实现同一温度下3×3与平方根3×平方根3重构可逆转化。该方法得到的3×3重构是高温(1350K)下的3×3重构，与同一温度下的平方根3×平方根3重构及低温(1100K)3×3 重构相比，高温3×3 重构更有利于原子的迁移，对薄膜的生长有利。在 SiC 薄膜同质外延生长过程中，调节 Si/C 束流比可影响表面的富 Si 状态，从而影响表面重构、生长模式和薄膜晶型。通过调节束流中的 Si/C 比，可实现先成核后台阶流动的生长模式并利用该模式生长出 6H-SiC/3C-SiC/6H-SiC 的同质异构量子阱结构。常规 XRD结果表明我们生长的同质异构量子阱结构样品的薄膜与衬底间存在 0.3°的倾斜角，薄膜的摇摆曲线半高宽为 0.09°。GID进一步证实薄膜与衬底间存在偏角，样品为 6H-SiC/3C-SiC/6H-SiC 量子阱结构，并得出在 3C-SiC 的随机成核阶段，产生的缺陷如孪晶导致薄膜晶体质量变差，而后续的台阶流动生长则会逐步消除这些缺陷而使晶体质量变好。室温下激光激发的光致发光(PL)谱中观察到薄膜在480-600nm 范围内的有较强的发光，分析表明该发光带是 6H-SiC/3C-SiC/6H-SiC同质异构量子阱结构的发光。计算结果表明，宽的光谱范围可能是由不同宽度的量子阱造成的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1 SiC的结构、性质、器件和应用

§1.1.1 SiC的晶体结构和多型性

§1.1.2 SiC半导体的同质异构结构

§1.1.3 SiC半导体的性质及参数

§1.1.4 SiC的器件及应用

§1.2 SiC半导体的发展进程和面临的挑战

§1.2.1 SiC半导体的发现及早期研究

§1.2.2 SiC半导体的迅速发展和近期研究

§1.2.3 SiC半导体研究与应用所面临的挑战

§1.3 SiC薄膜生长研究

§1.3.1研究SiC薄膜生长的必要性

§1.3.2 SiC薄膜的制备方法

§1.3.3 SiC薄膜生长研究进展

§1.4本论文的选题

参考文献

第二章分子束外延技术及设备

§2.1分子束外延技术基本原理

§2.1.1分子束外延简介

§2.1.2分子束外延的超高真空环境

§2.1.3分子束外延的物理过程

§2.2反射高能电子衍射(RHEED)

§2.2.1 RHEED简介

§2.2.2 RHEED的探测深度

§2.2.3 RHEED原理及应用

§2.3 SSMBE设备及关键部件的研制

§2.3.1 SSMBE的设备简介

§2.3.2高温样品架

§2.3.3Si、C的电子束蒸发器

§2.4本章小结

参考文献

第三章SiC/Si异质外延

§3.1 SiC单晶薄膜晶型的判断及外延取向关系

§3.1.1样品的制备与实验过程

§3.1.2实验结果与讨论

§3.2 SiC/Si异质外延条件的优化

§3.2.1碳化及碳化温度对SiC/Si异质外延的影响

§3.2.2生长温度对SiC/Si异质外延的影响

§3.2.3 Si/C束流比对SiC/Si异质外延的影响

§3.2.4蒸发速率对SiC/Si异质外延的影响

§3.3 Si衬底上6H-SiC的异质外延

§3.3.1引言

§3.3.2实验结果及讨论

§3.3.2小结

§3.4以C60作源生长SiC的过程研究

§3.4.1 RHEED研究C60在Si表面反应形成SiC

§3.4.2 PES研究C60在Si表面反应形成SiC

§3.4.3小结

§3.5 SiC/Si异质外延的同步辐射研究

§3.5.1 SiC/Si异质外延的X射线掠入射衍射研究

§3.5.2 SiC/Si的低温光致发光研究

§3.6本章小结

参考文献

第四章6H-SiC(0001)衬底的同质外延及量子阱结构

§4.1 6H-SiC(0001)面的重构及重构的获取

§4.1.1 6H-SiC(0001)面的一些重要重构

§4.1.2本实验获取重构表面的方法

§4.2 Si/C比对生长模式和薄膜晶型的影响及同质异构量子阱结构的生长

§4.2.1 Si/C比对生长模式和薄膜晶型的影响

§4.2.2同质异构量子阱结构薄膜的形貌

§4.2.3小结

§4.3同质异构结构外延膜的X射线衍射研究

§4.3.1常规X射线衍射研究

§4.3.2同步辐射X射线掠入射衍射研究

§4.3.3小结

§4.4同质异构结构外延膜的发光特性

§4.5本章小结

参考文献

发表论文

致谢