寬帶隙半導體SiC、ZnO的同步輻射光電子能譜研究.pdf

1、以SiC和ZnO等為代表的第三代寬禁帶半導體材料由于具有禁帶寬度大、化學穩(wěn)定性好、導熱性能強等優(yōu)點，在下一代高溫、高頻、大功率的微電子和光電子器件的發(fā)展中擁有良好前景。而同步輻射光電子能譜作為一種探測物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)的有效手段，被廣泛的應(yīng)用于半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)以及表面和界面電子態(tài)研究。利用同步輻射光電子能譜技術(shù)研究這類半導體材料不僅在基礎(chǔ)研究上有重要意義，而且在半導體器件應(yīng)用中也存在實際價值。 本論文的工作主要是利用國家同步輻射實

2、驗室(NSRL)表面物理實驗站和新加坡同步輻射光源(SSLS)的表面、界面及納米結(jié)構(gòu)科學實驗站的光電子能譜設(shè)備，再結(jié)合第一性原理全勢線性綴加平面波(FP-LAPW)方法，對SiC和ZnO的能帶色散、表面重構(gòu)、表面極性、表面吸附、金屬半導體界面以及半導體摻雜缺陷態(tài)局域結(jié)構(gòu)進行了研究。主要的研究結(jié)果如下： 1、利用同步輻射角分辨光電子能譜(SRARPES)技術(shù)并結(jié)合第一性原理的全勢線性綴加平面波(FPLAPW)理論方法對6H-SiC

3、(0001)-6√3×6√3R30°重構(gòu)表面的能帶結(jié)構(gòu)和表面電子態(tài)進行了研究。通過分析垂直出射時的光電子能譜，我們得到了體能帶結(jié)構(gòu)并發(fā)現(xiàn)了三個表面態(tài)。實驗中測量的體能帶結(jié)構(gòu)和理論計算結(jié)果較為吻合。通過分析非垂直出射時的光電子能譜，我們得到了這三個表面態(tài)在rKM方向的二維能帶色散。其中只有表面態(tài)S0表現(xiàn)出所希望的6√3×6√3R30°重構(gòu)周期性。根據(jù)實驗現(xiàn)象，我們認為表面態(tài)S0來源于表面重構(gòu)區(qū)域的C-C懸鍵，表面態(tài)S1來源于表面未鈍化的C

4、懸鍵。 2、利用同步輻射光電子能譜(SRPES)和X射線光電子能譜(XPS)對金屬Mn在6H-SiC(0001)表面的生長模式和Mn/6H-SiC(0001)界面進行了原位研究。實驗結(jié)果表明，常溫下金屬Mn在6H-SiC(0001)表面上表現(xiàn)為二維層狀生長模式。隨著金屬Mn沉積膜厚的增加，樣品表面金屬性明顯增強。沉積過程中，金屬Mn并未與SiC襯底發(fā)生反應(yīng)，界面間由于能帶彎曲導致費米能級向下移動，肖特基勢壘高度(SBH)大約為1

5、.79eV。當沉積膜厚達到2nm后，樣品于250℃退火導致金屬Mn向襯底擴散，但未與襯底發(fā)生反應(yīng)。樣品于500℃退火后界面間形成Mn的硅化物。 3、利用同步輻射光電子能譜研究了C60/Si(111)界面以及退火后SiC的形成過程。室溫時C60分子化學吸附在Si(111)表面并與表面Si原子以共價鍵的形式相互雜化。樣品退火后，Si-C60雜化進一步削弱C60分子內(nèi)C-C鍵相互作用，并促進中間產(chǎn)物SixC60的形成。樣品退火到650

6、℃時，C60分子開始分解，分解所釋放出的C碎片將和表面Si原子相互結(jié)合形成SiC。進一步退火到850℃后，C60分子全部分解并與襯底的Si原子形成SiC，樣品表面全部為SiC薄膜所覆蓋。 4、利用同步輻射角分辨光電子能譜(SRARPES)并結(jié)合全勢線性綴加平面波(FPLAPW)理論方法研究了ZnO(0001)表面的價帶電子結(jié)構(gòu)及能帶色散。通過分析垂直出射時的光電子能譜，我們得到了沿ΓA方向的體能帶結(jié)構(gòu)以及兩個表面態(tài)。體能帶結(jié)構(gòu)和

7、理論計算結(jié)果較為吻合。通過分析非垂直出射時的光電子能譜，我們得到了這兩個表面態(tài)在ΓKM方向的二維能帶色散。通過分析,我們認為，這兩個表面態(tài)分別來源于表面原子的Zn4s-O2p電子態(tài)雜化的背鍵態(tài)和p-p(或p-d)電子態(tài)雜化的背鍵態(tài)。 5、利用X射線光電子衍射(XPD)技術(shù)并結(jié)合基于球面波近似單散射團簇模型(SSC-SW)的XPD理論對ZnO單晶薄膜的表面極性進行了研究。通過固定不同的發(fā)射極角，我們得到芯能級光電子信號強度隨樣品方

8、位角變化的光電子衍射曲線。再利用基于球面波近似單散射團簇模型(SSC-SW)的XPD理論對ZnO(0001)和ZnO(0001)兩種極性面進行了模擬計算，比較實驗測量結(jié)果和理論模擬結(jié)果，我們判斷出ZnO單晶薄膜為(0001)極性面。結(jié)合ZnO(0001)極性面的原子模型，我們還對不同發(fā)射極角時光電子衍射曲線中衍射加強峰的來源進行了分析。 6、利用全勢綴加平面波加局域軌道(APW+lo)的方法，對ZnO中H摻雜所導致的幾種穩(wěn)定和亞