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MOCVD异质外延硅基ZnO和SiC薄膜及其特性研究

姚然  
【摘要】: SiC是一种宽禁带半导体材料,其具有优秀的电学、化学和导热性能,因此SiC器件经常被应用于高温、高电场、高辐射这些应用领域。单晶SiC薄膜生长一直是研究的重点。同质外延单晶SiC薄膜较为容易实现,但是SiC很昂贵。Si衬底具有十分优秀的性能而且比较廉价,但是异质外延SiC/Si比较困难,主要由于晶格失配和热膨胀失配等因素造成的。本论文就SiC/Si薄膜的制备展开了研究。 ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族直接带隙的宽禁带半导体材料,其室温下的禁带宽度为3.36eV,由于其具有紫外发光的特性,近来受到研究者的广泛关注。ZnO在高效率光散发设备和其它光学方面有应用前景,所以要进行高质量的ZnO薄膜制备的研究。由于晶格失配,ZnO/Si的异质结质量不高,现在主要应用过渡层或表面处理的方法进行改善。本论文围绕ZnO薄膜的MOCVD异质外延这个课题开展了研究,通过ZnO薄膜生长条件的探索以及Si衬底上各种过渡层生长ZnO薄膜的研究,最终利用3C-SiC作为过渡层,在Si(111)衬底上实现了单晶ZnO薄膜的异质外延。主要的研究工作及结果如下: 1.高质量单晶SiC薄膜的制备 利用低压高温MOCVD系统,成功的在Si(111)和Si(100)基片上外延出了具有高质量的SiC薄膜。通过XRD和微区拉曼测量表明外延的SiC薄膜为3C-SiC。SiC/Si薄膜具有良好的结晶质量,SiC(111)X射线摇摆半宽仅为0.3度,这在国内报道中属于领先水平。 2.RF预处理对ZnO/Si生长的影响 用MOCVD设备生长ZnO/Si薄膜,除了对衬底进行常规的化学清洗以外,在生长前进行Ar RF的预处理,是氩离子对硅表面进行一定的破坏,处理能量从0~150W进行了梯度变化,再以同样的生长条件进行原位生长。对于样品我们分别作了XRD、PL、AFM测量,发现Ar-RF预处理对薄膜结晶有很大影响,未作处理的样品一般呈多晶态,而处理后的样品在一定能量范围内晶格取向有显著提高,但随预处理能量达到一定限值后取向性被破坏。预处理对于发光也有很大的影响,在一定能量范围内发光强度只随处理能量加大缓慢衰减,但在高能量状态下,发光明显减弱,峰位也随之变化可见氩离子轰击硅表面形成了缺陷,这些缺陷在生长中顺延在ZnO部分,并且这些缺陷是发光淬灭中心,随能量的增加而增加。 3.缓冲层生长ZnO薄膜 利用直流溅射,先在Si衬底上溅射一层ZnO多晶薄膜,通过对直流溅射时间的控制,可以得到不同厚度的ZnO缓冲层。再利用MOCVD设备生长高质量的ZnO薄膜。通过研究发现,直流溅射ZnO薄膜的厚度对于最终的薄膜质量有很大的影响。随着缓冲层的引入,双晶衍射XRD的摇摆半宽有显著下降,并且随着最终ZnO薄膜质量上升,光致发光也有显著的提升。可见缓冲层的引入对ZnO/Si薄膜的质量和发光强度有很大的贡献。另外我们试验了用SiC作为过渡层的生长方法,在Si基片上外延出高质量的ZnO薄膜。测量了样品的XRD和摇摆曲线,以及室温下的PL谱。实验结果表明,SiC过渡层的引入的确大大提高了ZnO薄膜的质量和发光性能,并实现了实现Si上制备ZnO单晶薄膜这一前沿课题。 4.等离子辅助生长ZnO薄膜,实现N掺杂 利用改造的等离子辅助生长设备,进行了ZnO薄膜的等离子辅助生长。X射线衍射谱表明利用此方法生长的ZnO薄膜具有良好的结晶质量。为了验证裂解氮气是否能够进行ZnO的N掺杂,对样品进行了二次离子质谱的测量,发现N在ZnO薄膜中的浓度很高,实现了高浓度的N掺杂,但是由于表面电阻率高,无法进行Hall测量,ZnO薄膜的导电类型无法进行判断。


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