MOCVD異質外延硅基ZnO和SiC薄膜及其特性研究.pdf

1、SiC是一種寬禁帶半導體材料，其具有優(yōu)秀的電學、化學和導熱性能，因此SiC器件經(jīng)常被應用于高溫、高電場、高輻射這些應用領域。單晶SiC薄膜生長一直是研究的重點。同質外延單晶SiC薄膜較為容易實現(xiàn)，但是SiC很昂貴。Si襯底具有十分優(yōu)秀的性能而且比較廉價，但是異質外延SiC/Si比較困難，主要由于晶格失配和熱膨脹失配等因素造成的。本論文就SiC/Si薄膜的制備展開了研究。 ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙的寬禁帶半導體材料，其室溫下的

2、禁帶寬度為3.36eV,由于其具有紫外發(fā)光的特性，近來受到研究者的廣泛關注。ZnO在高效率光散發(fā)設備和其它光學方面有應用前景，所以要進行高質量的ZnO薄膜制備的研究。由于晶格失配，ZnO/Si的異質結質量不高，現(xiàn)在主要應用過渡層或表面處理的方法進行改善。本論文圍繞ZnO薄膜的MOCVD異質外延這個課題開展了研究，通過ZnO薄膜生長條件的探索以及Si襯底上各種過渡層生長ZnO薄膜的研究，最終利用3C-SiC作為過渡層，在Si(111)襯底

3、上實現(xiàn)了單晶ZnO薄膜的異質外延。主要的研究工作及結果如下： 1．高質量單晶SiC薄膜的制備利用低壓高溫MOCVD系統(tǒng)，成功的在Si(111)和Si(100)基片上外延出了具有高質量的SiC薄膜。通過XRD和微區(qū)拉曼測量表明外延的SiC薄膜為3C-SiC。SiC/Si薄膜具有良好的結晶質量，SiC(111)X射線搖擺半寬僅為0.3度，這在國內(nèi)報道中屬于領先水平。 2．RF預處理對ZnO/Si生長的影響用MOCVD設備生長

4、ZnO/Si薄膜，除了對襯底進行常規(guī)的化學清洗以外，在生長前進行Ar RF的預處理，是氬離子對硅表面進行一定的破壞，處理能量從0～150W進行了梯度變化，再以同樣的生長條件進行原位生長。對于樣品我們分別作了XRD、PL、AFM測量，發(fā)現(xiàn)Ar-RF預處理對薄膜結晶有很大影響，未作處理的樣品一般呈多晶態(tài)，而處理后的樣品在一定能量范圍內(nèi)晶格取向有顯著提高，但隨預處理能量達到一定限值后取向性被破壞。預處理對于發(fā)光也有很大的影響，在一定能量范圍內(nèi)

5、發(fā)光強度只隨處理能量加大緩慢衰減，但在高能量狀態(tài)下，發(fā)光明顯減弱，峰位也隨之變化可見氬離子轟擊硅表面形成了缺陷，這些缺陷在生長中順延在ZnO部分，并且這些缺陷是發(fā)光淬滅中心，隨能量的增加而增加。 3．緩沖層生長ZnO薄膜利用直流濺射，先在Si襯底上濺射一層ZnO多晶薄膜，通過對直流濺射時間的控制，可以得到不同厚度的ZnO緩沖層。再利用MOCVD設備生長高質量的ZnO薄膜。通過研究發(fā)現(xiàn)，直流濺射ZnO薄膜的厚度對于最終的薄膜質量有

6、很大的影響。隨著緩沖層的引入，雙晶衍射XRD的搖擺半寬有顯著下降，并且隨著最終ZnO薄膜質量上升，光致發(fā)光也有顯著的提升?？梢娋彌_層的引入對ZnO/Si薄膜的質量和發(fā)光強度有很大的貢獻。另外我們試驗了用SiC作為過渡層的生長方法，在Si基片上外延出高質量的ZnO薄膜。測量了樣品的XRD和搖擺曲線，以及室溫下的PL譜。實驗結果表明，SiC過渡層的引入的確大大提高了ZnO薄膜的質量和發(fā)光性能，并實現(xiàn)了實現(xiàn)Si上制備Zn0單晶薄膜這一前沿課題