宽禁带半导体SiC和ZnO的外延生长及其掺杂的研究

论文摘要

作为第三代宽禁带半导体材料,SiC和ZnO由于其自身优异的性能一直是人们研究的热点。SiC具有高的迁移率、优异的热稳定性和化学稳定性,在高频、大功率、耐高温、抗辐射等电子器件方面有着巨大的应用潜力。然而,SiC单晶价格昂贵,这就促使人们继续探讨在Si衬底上异质外延SiC薄膜。ZnO的激子结合能高达60meV,被认为是有望取代GaN的新一代短波长光电子材料。但是高质量的p型ZnO制备的困难阻碍了ZnO基激光二极管、发光二极管的实用化进程。另一方面寻找其它p型材料来异质外延n型ZnO薄膜以期能够实现异质pn结的电致发光的方法也引起人们的广泛关注。围绕上述背景,本论文主要开展了以下工作:1)Si衬底上SiC薄膜的异质外延生长一直是人们关注的焦点。“两步法”是在Si衬底上异质外延SiC薄膜的基本工艺,但在高温碳化过程中硅衬底中的硅原子向外扩散容易导致界面空洞的产生,这对后期器件制备很不利,在此基础上我们提出了“三步法”外延SiC薄膜,即碳化—小流量缓冲层—生长。在碳化过程中引入硅烷可以有效地抑制衬底中硅原子的外扩散,避免界面空洞的产生,并提高SiC薄膜的结晶质量。这一改进,可大大改善基于SiC/Si异质结、ZnO/SiC/Si异质结的器件。2)采用三甲基铝（TMA）做掺杂源,制备p型SiC薄膜。少量TMA的引入可以改善SiC薄膜的结晶质量,增加生长速率,并使薄膜中的应力发生变化,生长模式由三维岛状生长模式转变为二维层状生长模式。由于Si（100）和Si（111）衬底的表面自由能不同,所以受TMA的影响不一样。成功制各了Al∶SiC/n-Si异质结并对该异质结进行电学性质测量和深能级瞬态谱分析,Al受主能级位于价带之上220meV。p型SiC薄膜的研制为以后制备n-ZnO/p-SiC异质结提供了基础。3)研究了Al掺杂ZnO薄膜的电学和光学性质,结合以前N掺杂ZnO薄膜的研究结果采用射频辅助裂解N2及N-Al共掺杂的方法进行ZnO的p型掺杂研究。通过改变RF功率和TMA流量研究不同N/Al对ZnO薄膜光学和电学性质的影响,并对本征ZnO薄膜和呈现p型性质的ZnO薄膜进行变温的光致发光测量,掺杂与未掺杂的ZnO薄膜中均存在3.312eV附近的发光峰,我们把它归为与NO有关的受主束缚激子A0X。与未掺杂的相比,掺杂薄膜中的A0X发光峰向低能方向稍有移动,这与Al的引入对NO受主能级的影响有关。在掺杂薄膜的变温PL谱中,观测到FA的存在,据此估算得受主能级位置为183.7meV。进一步对呈现p型性质的ZnO薄膜进行变激发密度测量,证明了DAP峰位指认的正确性。4)利用二已基锌（DEZ）和H2O做源在MOCVD系统上初步探索低温下生长高质量的ZnO薄膜。研究发现用H2O做氧源可大大提高ZnO薄膜的光学性质。通过对载气总流量、源流量比、衬底温度等生长工艺参数进行初步优化后,采用过渡层技术得到了结构和光学性质都比较好ZnO薄膜。通过对退火温度和退火气氛的研究发现,可见发光与VO、VZn、OZn有关。AFM表面形貌显示,所得的ZnO薄膜乃三维岛状生长,离我们期望的二维层状生长模式还有距离,所以仍需继续深入研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 SiC材料概述
• 1.2 SiC材料的基本性质、材料制备及器件应用
• 1.2.1 SiC多型的晶体结构
• 1.2.2 SiC的物理和化学性质
• 1.2.3 SiC材料的制备及掺杂
• 1.2.3.1 SiC体单晶的生长及缺陷
• 1.2.3.2 SiC薄膜的生长及缺陷
• 1.2.3.3 SiC的n型和p型掺杂
• 1.2.4 SiC材料的器件应用
• 1.3 ZnO材料概述
• 1.4 ZnO材料的基本性质、薄膜的生长和掺杂及其发展趋势
• 1.4.1 ZnO材料的基本性质
• 1.4.1.1 ZnO的晶体结构
• 1.4.1.2 ZnO的电学性质
• 1.4.1.3 ZnO的光学性质
• 1.4.1.4 ZnO的其它性质和用途
• 1.4.2 ZnO薄膜的生长、掺杂及研究现状
• 1.4.2.1 ZnO单晶薄膜的外延生长
• 1.4.2.2 n型ZnO薄膜的研究
• 1.4.2.3 p型ZnO薄膜的研究
• 1.4.2.4 ZnO的研究存在的问题和发展趋势
• 1.5 薄膜的制备与表征
• 1.5.1 薄膜的制备方法
• 1.5.1.1 溅射技术
• 1.5.1.2 溶胶凝胶技术
• 1.5.1.3 化学气相淀积技术
• 1.5.1.4 金属有机物化学气相淀积技术（MOCVD）
• 1.5.1.5 本论文所用的MOCVD系统简介及改进
• 1.5.2 薄膜的表征手段
• 1.5.2.1 X射线衍射（XRD）
• 1.5.2.2 拉曼散射（Raman）
• 1.5.2.3 光致发光谱（PL）
• 1.5.2.4 X射线光电子能谱（XPS）
• 1.5.2.5 霍尔效应测量（Hall）
• 1.5.2.6 原子力显微镜（AFM）
• 1.5.2.7 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）
• 1.6 本论文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 无空洞SiC薄膜的外延生长及Al掺杂SiC薄膜的研究
• 2.1 引言
• 2.2 SiC-Si异质外延生长机理及竞位外延掺杂模型
• 2.2.1 SiC-Si异质外延生长机理
• 2.2.2 竞位外延掺杂模型
• 2.3 样品制备
• 2.4 无空洞SiC薄膜的外延
• 2.4.1 硅化对SiC薄膜结晶质量的影响
• 2.4.2 三步法生长无空洞SiC薄膜
• 2.5 Al掺杂SiC薄膜的研究
• 2.5.1 TMA对SiC薄膜结构特性的影响
• 2.5.1.1 结晶质量的提高
• 2.5.1.2 生长模式的转变
• 2.5.1.3 Al掺杂SiC薄膜的Raman研究
• 2.5.1.4 Al掺杂SiC薄膜的XPS分析
• 2.5.2 Al:SiC/n-Si（100）异质结电学性质研究
• 2.5.2.1 Ⅰ-Ⅴ特性
• 2.5.2.2 霍尔测量
• 2.5.2.3 深能级瞬态谱（DLTS）研究
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 Al和N-Al掺杂ZnO薄膜的特性研究
• 3.1 Al掺杂ZnO薄膜的制备及其光电特性
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 样品制备
• 3.1.3 Al掺杂ZnO薄膜的结构和表面形貌
• 3.1.4 Al掺杂ZnO薄膜光学性质分析
• 3.1.5 Al掺杂ZnO薄膜的电学性质
• 3.1.6 小结
• 3.2 N-Al共掺ZnO薄膜的外延生长
• 3.2.1 引言-共掺理论的介绍与思考
• 3.2.2 样品制备
• 3.2.3 N-Al掺杂对ZnO薄膜结构的影响
• 3.2.4 N-Al掺杂ZnO薄膜的表面形貌
• 3.2.5 N-Al掺杂ZnO薄膜的光学性质分析
• 3.2.5.1 室温光致发光
• 3.2.5.2 低温光致发光研究
• 3.2.6 N-Al掺杂ZnO薄膜的XPS分析
• 3.2.7 N-Al共掺ZnO薄膜的电学性质及p型ZnO薄膜的稳定性
• 3.2.8 关于射频等离子体辅助N掺杂制备p型ZnO的思考
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 ZnO薄膜水汽外延的初步研究
• 4.1 引言
• 4.2 样品的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 载气总流量对生长的影响
• 4.3.2 源流量对ZnO薄膜生长的影响
• 4.3.3 生长温度对ZnO薄膜生长的影响
• 4.3.4 过渡层对ZnO薄膜生长的影响
• 4.3.4.1 低温同质过渡层
• 4.3.4.2 SiC过渡层
• 4.3.5 退火对薄膜性能的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 读博期间发表的论文