β-SiC薄膜的低温沉积及特性研究

【摘要】： 被誉为最有潜力的宽禁带半导体材料一SiC，因其具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等优异的特性，被广泛地应用于光电器件、高频大功率、高温电子器件。但由于其过高的制备温度，严重限制了其应用程度。高质量SiC薄膜的低温生长，不仅有利于解决自补偿问题，而且有利于解决薄膜中存在应力和杂质等问题，对SiC薄膜的应用，特别是在微电子器件上的应用非常关键。因此，低温制备高质量SiC薄膜成了倍受关注的重要课题。 在本研究工作中，采用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)、触媒化学气相沉积(Cat-CVD)、射频磁控溅射等制备方法，针对不同方法的特点和工作原理，在单晶Si(100)衬底上，通过改变工艺参数，在低的衬底温度下，得到了高质量的立方SiC(β—SiC)薄膜。在研究工艺参数与低温β—SiC薄膜结构、成分和形貌等关系的基础上，基本探明了β—SiC薄膜低温生长的机制，为建立β—SiC薄膜低温生长模型奠定了基础，并进一步研究了低温β—SiC薄膜的场电子发射特性。 自行设计加工了PECVD系统，在衬底温度为300℃的条件下，制备出β—SiC薄膜，这是目前所见报道的最低温度。首次解决了采用PECVD法低温制备β—SiC薄膜中的含氢问题；同时，采用偏压辅助的技术，进一步解决了薄膜中的含氧问题。 自行设计加工的最近发展起来的Cat-CVD系统，在不加热衬底的条件下，仅通过触媒(热丝)的热辐射，在实际衬底温度低于300℃时，得到了β—SiC薄膜。因此，不仅拓展了Cat-CVD制备技术的应用范围，而且也使得CVD低温制备β—SiC薄膜的工作进入了一个新的阶段。进一步结合衬底预碳化以及对衬底的偏压作用，得到了高质量的纳米β—SiC薄膜。 采用偏压辅助RF溅射法，对低温物理气相沉积SiC薄膜进行了研究，并首次在室温下制备出含有β—SiC构相并以其为主的SIC薄膜。在衬底温度为450℃的条件下，制备出纳米SiC薄膜，这一温度与报道的采用溅射法制备β—SiC薄膜的最低温度(400℃)基本接近。 北京工业大学工学博士学位论文 一 对氢气和衬底负偏压在B七 薄膜低温沉积中的作用进行了研 究，发现合适比例的氢气及相应的衬底负偏压，是低温制备上七 C 薄膜必须的条件。 在对卜SIC场电子进行理论研究基础上，比较测量的结果，表 明低温B七 薄膜具有优异的场电子发射特性。 最后，对本研究工作进行了总结，并展望了低温高质量p七 薄膜的应用前景。