Si-SiC異質(zhì)結(jié)界面特性研究.pdf

1、Si/SiC異質(zhì)結(jié)是實(shí)現(xiàn)SiC器件在近紅外和可見光領(lǐng)域應(yīng)用的一種行之有效的方法。由于Si和SiC之間的晶格失配度非常大，將極大地影響外延薄膜的質(zhì)量，因此有必要對(duì)界面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。雖然涉及Si/SiC異質(zhì)結(jié)界面研究的工作已經(jīng)取得了一些成果，但是與界面有關(guān)的晶格匹配、電子結(jié)構(gòu)、布居分析和電子態(tài)密度等微觀理論的研究工作仍很缺乏。本文采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)Si/SiC界面進(jìn)行了深入的研究，主要結(jié)果如下：
　　1.本文采用L

2、PCVD方法在n型6H-SiC C面襯底上制備了Si薄膜。對(duì)生長溫度、生長時(shí)間、生長壓力和SiH4流量對(duì)外延Si薄膜結(jié)晶質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，應(yīng)用SEM、XRD和TEM對(duì)Si薄膜的表面形貌、結(jié)晶取向和Si/SiC界面特性進(jìn)行了表征，并利用DLTS對(duì)Si中深能級(jí)的特性迸行了研究。
　　(1)SEM和IXRD結(jié)果表明：在一定的溫度范圍內(nèi)，Si薄膜擇優(yōu)于Si<111>和Si<220>兩個(gè)方向生長，即襯底和薄膜之間存在Si(111)/6H

3、-SiC(001)和Si(220)/6H-SIC(001)兩種界面模式，并且隨著溫度的升高Si薄膜的晶粒尺寸逐漸增大；生長時(shí)間、生長壓力、SiH4流量對(duì)Si薄膜的結(jié)晶取向影響較小，但是對(duì)晶粒尺寸卻非常大。
　　(2)TEM結(jié)果表明：在Si/SiC界面附近發(fā)現(xiàn)層錯(cuò)和孿晶等缺陷；Si(111)/6H-SiC(001)和Si(220)/6H-SiC(001)界面的位向關(guān)系分別為Si(111)[11-2]//SiC(001)[210]和S

4、i(110)[001]∥SiC(001)[210]。
　　(3)DLTS結(jié)果表明：在SiEv+0.353±0.026eV、Ev+0.575±0.035eV和Ev+0.43±0.012eV處發(fā)現(xiàn)深能級(jí)，其中Ev+0.353±0.026eV處的能級(jí)可能來源于氧和空位的復(fù)合體，而Ev+0.575±0.035eV處的能級(jí)可能來源于位錯(cuò)。
　　2.利用第一性原理研究了Si原子在6H-SiC(001)表面的吸附反應(yīng)、以及Si(111)/

5、6H-SiC(001)界面、Si(220)/6H-SiC(001)界面和Si(220)/6H-SiC(100)界面的原子電子特性，并從能量、電子結(jié)構(gòu)、布居和態(tài)密度等方面進(jìn)行了分析。
　　(1)建立了頂位、橋位、hcp洞位和fcc洞位四種Si在6H-SiC(001)表面的吸附模型。吸附能結(jié)果表明：頂位是最穩(wěn)定的吸附位置；幾何特性說明吸附能越大，鍵長越??；布居分析和態(tài)密度分析表明6H-SiC(001)Si面和C面分別與Si吸附原子之間

6、形成了Si-Si鍵和Si-C鍵。
　　(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的界面位相關(guān)系建立了Si(111)/6H-SiC(001)(Si面和C面)界面模型。粘合能的計(jì)算表明Si面的粘合能大于C面，說明Si面的結(jié)合強(qiáng)度大于C面；電子結(jié)構(gòu)計(jì)算表明Si面和C面界面分別形成了非極性的Si-Si共價(jià)鍵和極性Si-C共價(jià)鍵；布居分析表明：Si面界面Si側(cè)Si原子得到電子，6H-SiC側(cè)Si原子失去電子；C面界面原子得失電子的趨勢(shì)是相反的；態(tài)密度結(jié)果表明：Si

7、面界面中-7.5eV--5eV和-5eV--3.5eV處的共振峰主要來自Si3p軌道；C面界面中-16eV--11eV處的共振峰要來自C2s和Si3s軌道。
　　(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的界面位相關(guān)系建立了Si(220)/6H-SiC(001)(Si面和C面)界面模型。粘合能的計(jì)算表明Si面的粘合能小于C面，和Si(111)/6H-SiC(001)界面趨勢(shì)相反；電子結(jié)構(gòu)和布居分析表明Si(220)/6H-SiC(001)界面具有和Si(

8、111)/6H-SiC(001)界面相似的性質(zhì)；態(tài)密度分析表明Si界面系統(tǒng)中-4eV--2eV范圍內(nèi)的共振峰主要來自Si3p軌道。
　　(4)對(duì)三種6H-SiC(100)表面(caseI，caseIIand caseⅢ)和三種Si(220)/6H-SiC(100)界面(AM、BM和CM)進(jìn)行了研究。表面計(jì)算結(jié)果表明caseⅠ的表面活性低于caseⅡ和caseⅢ。粘合能和界面能的計(jì)算表明CM的界面強(qiáng)度大于AM和BM；布居分析表明界面