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磁控溅射SiC薄膜制备及其场发射相关性能研究

魏艳君  
【摘要】: 能源、材料、信息科学是新技术革命的先导和支柱。作为特殊形态材料的固体功能薄膜材料,在纳米电子学、微电子学、光电子学、磁电子学、高灵敏度传感器以及低价、高效、大面积太阳能电池等高新技术领域有着极为广泛的应用。SiC薄膜集力学、电学、热学和光学等优异特性于一身,在高温、高频、大功率、抗辐射等领域极具应用潜力,成为能够在极端条件下应用并具有极端特性的新一代宽带隙半导体薄膜材料与器件的优选。 本文首先对宽禁带SiC半导体材料独特的结构特性、理化及电子学性质进行了简要介绍,对目前国内外有关SiC单晶体及薄膜生长、SiC场发射性能及相关器件的研究现状、取得的成绩及存在的问题进行了概述,确定了课题的主要研究方向、内容和目标。 其次,在充分了解掌握薄膜制备方法手段的基础上,采用磁控溅射法,通过探索磁控溅射SiC薄膜的较好生长工艺条件,使结构致密、纯度较高、附着性良好的SiC薄膜,按照非自发形核、原子团的迁移、连续薄膜生长的机理,在异质Si衬底上实现了层状外延式生长。 然后,在充分了解掌握薄膜材料物性分析表征方法的基础上,采用SEM、AFM、XRD和EDS等先进测试分析手段,对磁控溅射SiC薄膜的物性进行了较为全面的测试和分析,进一步验证了在靶基距55 mm、溅射气压2.0 Pa的情况下,溅射功率在100~150 W、沉积温度在400~600℃应该是磁控溅射法SiC/Si薄膜沉积的较好工艺条件;同时,根据非晶和多晶半导体物理有关理论,对磁控溅射SiC薄膜有关定域态间近程跳跃导电的机理进行了推断和实验分析验证,定域态间声子辅助跳跃的平均电子激活能为? W≈0.015 eV。 最后,基于半导体场致电子发射理论机理,并通过超高真空场发射性能测试设备,对磁控溅射SiC薄膜的场发射性能及相关因素对其的影响进行了较为全面的测试和分析。场发射性能指标最高的磁控溅射SiC薄膜,其场发射电流密度从背景噪声中可靠分辨时的开启电场约为3.5 V/μm,场发射电流密度为0.05 mA/cm2时阈值电场为5.6 V/μm,电场为10 V/μm时的场发射电流密度达到0.71 mA/cm2,磁控溅射SiC薄膜的功函数(势垒高度)约为1.613 eV,具有良好的场发射性能。


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