宽带隙半导体ZnO(及SiC)薄膜的制备及其物性研究

摘要

在半导体材料的发展中,一般将Si,Ge称为第一代电子材料,GaAs,InP,GaP,InAs,AlAs等称为第二代电子材料,而将宽带隙高温半导体ZnO,SiC,GaN,AlN以及金刚石等称为第三代半导体材料。随着科学技术的发展,对能在极端条件(如高温、高频、大功率、强辐射)下工作的电子器件的需求越来越迫切。常规半导体如Si,GaAs等已面临严峻挑战,故发展宽带隙半导体(Eg＞2.3 eV)材料已成为当务之急。
　　在本论文中,我们主要讨论了宽带隙半导体材料ZnO、SiC薄膜的制备及其物性研究。
　　对于ZnO薄膜,我们采用TFA-MOD(Trifluoroacetate Metalorganic Deposition)方法,制备出平整、致密且有取向的ZnO薄膜。对ZnO薄膜的制备,反应的热化学过程和ZnO薄膜(及ZnO纳米体系)的光学性质进行了深入的研究：
　　* ZnO薄膜的制备:我们采用TFA-MOD方法,经过大量试验摸索后,成功制备出平整致密的ZnO取向薄膜。将该法应用于ZnO薄膜的制备尚属首例,至今未见同样的报道。
　　* 对前驱体的优化:在实验中我们发现,前驱体溶胶对最终得到的ZnO薄膜的表面形貌、结晶质量以及其他诸多性质都会产生至关重要的影响。因此我们把前驱体溶胶及其老化过程作为研究的重点,解决了困扰多时的前驱体气化问题,并指出三氟乙酸锌的水解是抑制气化的关键所在,而Zn4O(CF3COO)6是最有可能的水解产物,并给出其空间立体结构。进一步加入单乙醇胺(MEA)对溶胶进行优化,获得了更为优质的ZnO薄膜。
　　* 对ZnO光致发光的研究:我们分别就ZnO薄膜和ZnO纳米棒两种体系的光致发光进行了对比研究。主要探讨的对象是紫外、蓝光、绿光的起源及性质。结果表明380 nm紫外发光峰为ZnO的近带边(NBE)发射;505 nm绿光的发光中心为单电离氧空位(Vo+);520 nm绿光则可能是导带底到OZn陷能级的跃迁;580和625 nm的黄橙光不是很常见,它们的来源并不十分清楚,但可以肯定的是跟ZnO中的富氧型缺陷有关。薄膜样品在900℃热处理后出现了Zn2SiO4，并显著增强520 nm绿色发光，这是由于Si衬底被氧化生成Si02并进一步与Zn0反应而成。与此相印证的是，我们此前也观察到高温热处理后的Si02-Zno复合体系中存在Zn2Si04。对Zn2Si04增强绿色发光的作用机理进行了分析研究得出，Zn2SiO4的形成增大了Zn0的界面和表面，并促使Zn0中的Zn向界面和表面迁移，从而增强了来源于表面、界面处的520 nm绿色发光。
　　在SiC薄膜方面，我们用简单的方法在Si衬底上分别制备了SiC单晶薄膜和SiC/Si02纳米复合薄膜，对其各种性质进行了研究：
　　* 通过PS/OCS/Si叠层反应法，在真空及低压Ar气氛中均制备出高质量SiC薄膜。在10-3 Pa真空条件下最佳反应温度为1050℃，获得6H-SiC薄膜，厚度约为0.3μm;而在低压Ar气氛下最佳反应温度为1300℃，主要获得4H-SiC薄膜，厚度约为1.2μm。SEM表面和界面分析表明，用PS/OCS/Si叠层反应法可以抑制界面处空洞缺陷的形成。
　　* 将纳米SiC粉分散在Si02溶胶中制得了SiC/Si02纳米复合薄膜。对其在室温下的光致发光进行了研究，发现这种复合薄膜有紫外-蓝光区的发光，并观察到Si02中的LO声子对SiC纳米晶发光的影响。对这种复合薄膜增强的发光进行了合理的解释，认为SiC分散于Si02中所产生的限域效应是提高发光效率的根本原因。

目录

中文摘要

Abstract

第一章 宽带隙半导体材料综述

参考文献

第二章 ZnO材料综述

2.1 ZnO材料的结构和基本物性

2.2 ZnO材料的制备

2.2.1 体材料的制备

2.2.2 薄膜材料的制备

2.2.3 纳米材料的制备

2.3 ZnO材料在器件方面的应用

参考文献

第三章 TFA-MOD方法制备优质ZnO薄膜

3.1 薄膜制备

3.1.1 工艺方法

3.1.2 薄膜制备中的常见问题及处理

3.1.3 成膜机制

3.2 前驱体的表征及分析

3.3 小结

参考文献

第四章 反应的热物理化学过程及前驱体的分析

4.1 样品制备

4.2 样品表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 凝胶的热分析

4.3.2 MEA对溶胶的影响

4.3.3 ZnO薄膜生长条件的优化

4.4 小结

参考文献

第五章 ZnO的光致发光特性研究

5.1 TFA-MOD方法制得的ZnO薄膜的发光

5.1.1 样品制备

5.1.2 样品表征

5.1.3 实验结果与分析

5.1.4 发光峰归属讨论

5.2 ZnO纳米材料的光致发光

5.2.1 实验过程

5.2.2 样品表征

5.2.3 结果和讨论

5.3 小结

参考文献

第六章 SiC材料综述

6.1 SiC材料的结构特征

6.2 SiC材料制备

6.2.1 体单晶生长

6.2.2 薄膜生长

6.2.3 外延膜质量表征

6.2.4 纳米SiC生长

6.3 SiC器件研究

参考文献

第七章 PS/OCS/Si叠层反应法制备无空洞缺陷的SiC薄膜

7.1 样品制备

7.2 样品表征

7.3 结果与分析

7.3.1 真空热处理样品

7.3.2 Ar气中热处理样品

7.4 小结

参考文献

第八章 SiC/SiO_2纳米复合薄膜的制备与光致发光研究

8.1 样品制备

8.2 样品表征

8.3 结果与分析

8.3.1 红外分析

8.3.2 光致发光分析

8.4 小结

参考文献

致谢

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