MOCVD异质外延硅基ZnO和SiC薄膜及其特性研究

摘要

SiC是一种宽禁带半导体材料，其具有优秀的电学、化学和导热性能，因此SiC器件经常被应用于高温、高电场、高辐射这些应用领域。单晶SiC薄膜生长一直是研究的重点。同质外延单晶SiC薄膜较为容易实现，但是SiC很昂贵。Si衬底具有十分优秀的性能而且比较廉价，但是异质外延SiC/Si比较困难，主要由于晶格失配和热膨胀失配等因素造成的。本论文就SiC/Si薄膜的制备展开了研究。 ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族直接带隙的宽禁带半导体材料，其室温下的禁带宽度为3.36eV,由于其具有紫外发光的特性，近来受到研究者的广泛关注。ZnO在高效率光散发设备和其它光学方面有应用前景，所以要进行高质量的ZnO薄膜制备的研究。由于晶格失配，ZnO/Si的异质结质量不高，现在主要应用过渡层或表面处理的方法进行改善。本论文围绕ZnO薄膜的MOCVD异质外延这个课题开展了研究，通过ZnO薄膜生长条件的探索以及Si衬底上各种过渡层生长ZnO薄膜的研究，最终利用3C-SiC作为过渡层，在Si(111)衬底上实现了单晶ZnO薄膜的异质外延。主要的研究工作及结果如下： 1．高质量单晶SiC薄膜的制备利用低压高温MOCVD系统，成功的在Si(111)和Si(100)基片上外延出了具有高质量的SiC薄膜。通过XRD和微区拉曼测量表明外延的SiC薄膜为3C-SiC。SiC/Si薄膜具有良好的结晶质量，SiC(111)X射线摇摆半宽仅为0.3度，这在国内报道中属于领先水平。 2．RF预处理对ZnO/Si生长的影响用MOCVD设备生长ZnO/Si薄膜，除了对衬底进行常规的化学清洗以外，在生长前进行Ar RF的预处理，是氩离子对硅表面进行一定的破坏，处理能量从0～150W进行了梯度变化，再以同样的生长条件进行原位生长。对于样品我们分别作了XRD、PL、AFM测量，发现Ar-RF预处理对薄膜结晶有很大影响，未作处理的样品一般呈多晶态，而处理后的样品在一定能量范围内晶格取向有显著提高，但随预处理能量达到一定限值后取向性被破坏。预处理对于发光也有很大的影响，在一定能量范围内发光强度只随处理能量加大缓慢衰减，但在高能量状态下，发光明显减弱，峰位也随之变化可见氩离子轰击硅表面形成了缺陷，这些缺陷在生长中顺延在ZnO部分，并且这些缺陷是发光淬灭中心，随能量的增加而增加。 3．缓冲层生长ZnO薄膜利用直流溅射，先在Si衬底上溅射一层ZnO多晶薄膜，通过对直流溅射时间的控制，可以得到不同厚度的ZnO缓冲层。再利用MOCVD设备生长高质量的ZnO薄膜。通过研究发现，直流溅射ZnO薄膜的厚度对于最终的薄膜质量有很大的影响。随着缓冲层的引入，双晶衍射XRD的摇摆半宽有显著下降，并且随着最终ZnO薄膜质量上升，光致发光也有显著的提升。可见缓冲层的引入对ZnO/Si薄膜的质量和发光强度有很大的贡献。另外我们试验了用SiC作为过渡层的生长方法，在Si基片上外延出高质量的ZnO薄膜。测量了样品的XRD和摇摆曲线，以及室温下的PL谱。实验结果表明，SiC过渡层的引入的确大大提高了ZnO薄膜的质量和发光性能，并实现了实现Si上制备Zn0单晶薄膜这一前沿课题。 4．等离子辅助生长ZnO薄膜，实现N掺杂利用改造的等离子辅助生长设备，进行了ZnO薄膜的等离子辅助生长。X射线衍射谱表明利用此方法生长的ZnO薄膜具有良好的结晶质量。为了验证裂解氮气是否能够进行ZnO的N掺杂，对样品进行了二次离子质谱的测量，发现N在ZnO薄膜中的浓度很高，实现了高浓度的N掺杂，但是由于表面电阻率高，无法进行Hall测量，ZnO薄膜的导电类型无法进行判断。

目录

文摘

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第一章绪论

引言

§1.1 SiC材料的基本性质

§1.1.1 SiC材料的结构性质

§1.1.2 SiC的物理和化学性质

§1.1.3 SiC的体单晶和外延薄膜的制备

§1.1.4 SiC的器件工艺及其应用

§1.2 ZnO材料的基本性质

§1.2.1 ZnO的结构

§1.2.1 ZnO的基本性质与应用

§1.2.3 ZnO的发光特性

§1.2.4 ZnO的研究现状及发展趋势

§1.3薄膜的制备方法

§1.3.1溅射技术

§1.3.2超声喷雾热分解技术

§1.3.3溶胶-凝胶技术

§1.3.4脉冲激光淀积技术

§1.3.5液相外延技术

§1.3.6分子束外延技术

§1.3.7化学气相淀积技术

§1.3.8金属有机物化学气相沉积技术

§1.4本论文研究内容和意义

参考文献

第二章连通式双反应室MOCVD设备

§2.1引言

§2.2连通式、双反应式MOCVD系统介绍

§2.3本章小结

参考文献

第三章Si基SiC薄膜的异质外延

§3.1引言

§3.2 SiC薄膜的生长机理

§3.2.1薄膜的生长动力学分析

§3.2.2 SiC薄膜的CVD生长热动力学系统及相图

§3.3样品制备

§3.4试验结果及分析

§3.4.1碳化对SiC结晶的影响

§3.4.2温度对SiC薄膜质量的影响

§3.4.3硅源流量对SiC薄膜质量的影响

§3.4.4最优化生长SiC薄膜

§3.4.5 Si(111)和Si(100)上生长的SiC薄膜对比

§3.5本章小结

参考文献

第四章Si基ZnO薄膜的异质外延和特性研究

§4.1引言

§4.2 Si衬底上ZnO薄膜的制备

§4.3RF轰击Si衬底对ZnO薄膜的影响

§4.4其它生长条件对ZnO薄膜的影响

§4.5过渡层对ZnO薄膜的影响

§4.5.1直流溅射缓冲层生长ZnO/Si薄膜

§4.5.2 SiC缓冲层生长ZnO/Si薄膜

§4.5.3 SiC缓冲层粗糙度对ZnO薄膜的影响

§4.5.4 ZnO/SiC/Si结构材料的实际应用

§4.6等离子辅助生长ZnO薄膜

§4.6.1 ZnO的p型掺杂简介

§4.6.2等离子辅助生长ZnO薄膜

§4.7本章小结

参考文献

第五章总结

论文期间成果

致谢