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《浙江大学》 2007年
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助溶剂法不同形貌SiC晶体的生长

翟蕊  
【摘要】: SiC半导体材料是自第一代半导体材料(Si)和第二代化合物半导体材料(GaAs、GaP、InP等)之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料,具有优异的物理化学性能。SiC体单晶和一维纳米晶须在制备高温、高频、大功率的光电子器件方面具有较大的应用潜力。本文在前人SiC单晶和一维纳米晶须生长研究的基础上,开展金属硅化物熔体中,SiC体单晶和一维纳米晶须的生长及其机理的研究。 FeSi熔体做助溶剂,石墨坩锅做碳源,开展液相法SiC单晶生长研究。研究表明FeSi熔体能溶解足够的C并有SiC单晶从熔体中析出。XRD分析表明反应产物基本上都是3C-SiC,并伴有少量的6H-SiC,一般认为这是晶体中存在的层错或寄生相等缺陷造成的。Raman分析确认熔体中所生长的SiC单晶为3C-SiC,并存在一定程度的层错等缺陷和较大的金属元素掺杂。SiC单晶的典型形貌表明熔体中SiC单晶的生长遵循二维形核-层生长机理。 在助溶剂法SiC单晶生长中发现,在一定含量的氧气氛下倾向于纳米晶须的生长。基于这一事实,进行了以FeSi和NiSi为助溶剂SiC一维纳米材料生长的研究,得到大量高质量的SiC纳米晶须。分析表明,纳米晶须产物为3C-SiC,其晶格常数为4.364(?),(111)面晶面间距为0.25nm,生长方向为[111]晶向。Raman分析表明,所得的3C-SiC纳米晶须结晶化程度良好,由于尺寸效应,纳米晶须的散射峰相对标准3C-SiC单晶向低波数偏移。 对SiC纳米晶须的生长机理进行研究表明,SiC晶须的形成经历了两个阶段:晶核形成阶段和晶须长大阶段。各个温度下生长的SiC纳米晶须均植根于FeSi和NiSi助溶剂,且顶端有球形助溶剂液滴。这些事实暗示了晶须的生长机理是固-液-固(SLS)形核和气-液-固(VLS)生长的联合生长机理。在晶核形成阶段,石墨(S)中的C在助溶剂(L)中溶解,其中的Fe(Ni)增大了熔体中C的溶解度,熔体中Si和C以SLS模式形成SiC晶核(S);在晶须生长过程中,气氛中微量的O_2与Si和C反应生成的CO和SiO(V)溶解在晶须顶端液滴(L)内,在金属Fe(Ni)的催化作用下,以气-液-固(VLS)模式沿[111]方向生长为SiC纳米晶须(S)。 以NiSi熔体为助溶剂的反应温度较低的的试样,由于同石墨基板的浸润性比较差,被SiC晶须蓬松覆盖的NiSi熔体呈球状分布在石墨基板上。在降温过程中,反应气氛中未消耗的中间产物CO和SiO,反应生成SiO_2,并以无定形态包覆在先前生成的SiC晶须表面,生成SiO_2包覆的SiC晶须。 另外,加热1600℃保温3h的NiSi助溶剂的石墨坩埚壁上生长有大量SiC晶须,XRD分析表明其晶型以3C-SiC为主,并含有少量6H-SiC变体。SiC晶须产率很高,但在晶须顶端没有发现作为催化剂熔球的球形颗粒。分析表明,坩埚壁上的SiC晶须是以VS机制生长沿[111]方向不断沉积生长的。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN304.05

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