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掺杂SiC薄膜的结构及物性研究

金成刚  
【摘要】: SiC作为一种优秀的微电子材料,以其禁带宽、饱和电子漂移速度大、临界雪崩击穿电场高和热导高的特点,在大功率、高频、耐高温、抗辐射器件及光电子集成器件方面具有重要的应用价值而备受重视。稀磁半导体在自旋电子器件潜在的应用,已经引起人们浓厚的研究兴趣。SiC以其比Si大的禁代宽度和高的击穿场,在电子器件应用占有一席之地。到目前为止,关于过渡金属掺杂SiC的磁性报道还很少。最近,理论上预言了Cr掺杂SiC稀磁半导体的居里温度能够超过室温。 SiC薄膜,不同Cr掺杂的SiC薄膜分别由射频磁控溅射和双离子束溅射制备。样品在N_2气氛下,经过1000℃退火处理。采用X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR),拉曼光谱(Raman),扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM),X光电子能谱,紫外-可见分光光度计、光致发光(PL),霍尔测试和超导量子干涉仪等分析测试手段对薄膜结构和性质表征。结果如下: 一、我们用共溅射的方法溅射SiC-Cr复合靶制备了Cr掺杂的SiC薄膜。通过XRD,SEM,XPS,Raman和PL等测试手段测试了Cr-SiC薄膜的结构和发光性质。样品在N_2气氛下,经过1000℃退火处理。随着Cr浓度的升高,使SiC晶体质量变差的同时,掺杂的Cr取代了SiC中C或者Si的位置,并形成了C簇。发光谱中412nm处出现了发光峰。至于412nm的起源,结合我们的数据认为起源C簇镶嵌在SiC中,而且与C簇的尺寸有很大的关联。 二、采用单离子束和双离子束溅射在室温下沉积SiC薄膜。随着辅助离子能量的提高薄膜的沉积速率逐渐变小。辅助Ar~+离子束(离子能量Ei=150eV)直接轰击衬底表面,可以促进合成SiC薄膜。经低能量辅助离子束轰击的薄膜与未经轰击的薄膜相比,表面形貌更加平滑,紧密,再者SiC薄膜与衬底出现一个过度层,这有助于薄膜的黏附力,并且有着不同的光学特性。经辅助离子轰击后的薄膜中的Si-C键密度有所增加。在辅助离子的轰击下,薄膜表面粗糙,更加致密。同时能够增大团簇的尺寸,提高薄膜与衬底间的附着力,释放薄膜与衬底间的内应力。同时,过量的C原子或sp~2结合的碳团簇的大小有所减小,a-Si相也减少了。这些表明薄膜中主要成分是SiC。即通过适当的低能辅助离子束的轰击,得到了质量比较高的SiC薄膜。在辅助离子的轰击下,薄膜的吸收边蓝移,且光学带隙从1.25eV增加到1.5eV。这可能是由于深埋在异核Si-C键网络中的sp2键的团簇的尺寸变小导致的。 三、采用双离子束溅射在室温下沉积Cr掺杂SiC薄膜。结果表明Cr掺杂非晶SiC,替代了Si位。利用Hall效应测量的薄膜的电学性质表明,Cr掺杂没有改变SiC薄膜本身的半导体性质。利用超导量子干涉仪(SQUIT)对薄膜的磁学性质进行了测量,结果显示薄膜的居里温度超过了室温。空穴载流子作为磁性离子间交换媒介,增强了磁性离子间的作用从而产生铁磁性。这些对于Cr掺杂SiC薄膜的磁性起源还需要我们在以后的工作中进行进一步的研究。


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