寬禁帶半導體SiC和ZnO的外延生長及其摻雜的研究.pdf

1、作為第三代寬禁帶半導體材料，SiC和ZnO由于其自身優異的性能一直是人們研究的熱點。SiC具有高的遷移率、優異的熱穩定性和化學穩定性，在高頻、大功率、耐高溫、抗輻射等電子器件方面有著巨大的應用潛力。然而，SiC單晶價格昂貴，這就促使人們繼續探討在Si襯底上異質外延SiC薄膜。ZnO的激子結合能高達60meV，被認為是有望取代GaN的新一代短波長光電子材料。但是高質量的p型ZnO制備的困難阻礙了ZnO基激光二極管、發光二極管的實用化進程。

2、另一方面尋找其它p型材料來異質外延n型ZnO薄膜以期能夠實現異質pn結的電致發光的方法也引起人們的廣泛關注。 圍繞上述背景，本論文主要開展了以下工作： 1)Si襯底上SiC薄膜的異質外延生長一直是人們關注的焦點?！皟刹椒ā笔窃赟i襯底上異質外延SiC薄膜的基本工藝，但在高溫碳化過程中硅襯底中的硅原子向外擴散容易導致界面空洞的產生，這對后期器件制備很不利，在此基礎上我們提出了“三步法”外延SiC薄膜，即碳化—小流量緩沖層一

3、生長。在碳化過程中引入硅烷可以有效地抑制襯底中硅原子的外擴散，避免界面空洞的產生，并提高SiC薄膜的結晶質量。這一改進，可大大改善基于SiC/Si異質結、ZnO/SiC/Si異質結的器件。 2)采用三甲基鋁(TMA)做摻雜源，制備p型SiC薄膜。少量TMA的引入可以改善SiC薄膜的結晶質量，增加生長速率，并使薄膜中的應力發生變化，生長模式由三維島狀生長模式轉變為二維層狀生長模式。由于Si(100)和Si(111)襯底的表面自由能

4、不同，所以受TMA的影響不一樣。成功制備了Al:SiC/n-Si異質結并對該異質結進行電學性質測量和深能級瞬態譜分析，Al受主能級位于價帶之上220meV。p型SiC薄膜的研制為以后制備n-ZnO/p-SiC異質結提供了基礎。 3)研究了Al摻雜ZnO薄膜的電學和光學性質，結合以前N摻雜ZnO薄膜的研究結果采用射頻輔助裂解N<,2>及N-Al共摻雜的方法進行ZnO的p型摻雜研究。通過改變RF功率和TMA流量研究不同N/Al對Zn

5、O薄膜光學和電學性質的影響，并對本征ZnO薄膜和呈現p型性質的ZnO薄膜進行變溫的光致發光測量，摻雜與未摻雜的ZnO薄膜中均存在3.312eV附近的發光峰，我們把它歸為與No有關的受主束縛激子A<'0>X。與未摻雜的相比，摻雜薄膜中的A<'0>X發光峰向低能方向稍有移動，這與Al的引入對No受主能級的影響有關。在摻雜薄膜的變溫PL譜中，觀測到FA的存在，據此估算得受主能級位置為183.7meV。進一步對呈現p型性質的ZnO薄膜進行變激發

6、密度測量，證明了DAP峰位指認的正確性。 4)利用二已基鋅(DEZ)和H<,2>O做源在MOCVD系統上初步探索低溫下生長高質量的ZnO薄膜。研究發現用H<,2>O做氧源可大大提高ZnO薄膜的光學性質。通過對載氣總流量、源流量比、襯底溫度等生長工藝參數進行初步優化后，采用過渡層技術得到了結構和光學性質都比較好ZnO薄膜。通過對退火溫度和退火氣氛的研究發現，可見發光與V<,o>、V<,Zn>、O<,Zn>有關。AFM表面形貌顯示，