碳化硅薄膜的外延生長、結(jié)構(gòu)表征及石墨烯的制備.pdf

1、SiC作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有許多優(yōu)異特性，在半導(dǎo)體器件中有著廣泛的應(yīng)用。石墨烯作為一種新型的二維碳元素新材料，具有一系列優(yōu)良的電學(xué)特性，例如反常的量子霍爾效應(yīng)和高載流子遷移率等。這些優(yōu)異性質(zhì)使其成為當(dāng)今研究的熱點。本論文利用固源分子束外延(SSMBE)技術(shù)，在Si、Al2O3和SiC單晶襯底上外延生長SiC薄膜及其同質(zhì)異構(gòu)量子阱結(jié)構(gòu)。利用MBE設(shè)備，采用高溫?zé)嵬嘶鸩⑤o助Si束流的方法，在SiC表面外延生長石墨烯。利用同步輻射以

2、及一些常規(guī)的分析測試方法對外延生長的SiC薄膜和石墨烯進(jìn)行研究。主要的研究工作及結(jié)果如下： 1 Si襯底上3C-SiC薄膜的外延生長 在Si襯底表面異質(zhì)外延生長出高質(zhì)量的3C-SiC薄膜，系統(tǒng)研究了碳化、襯底溫度、Si/C束流比和預(yù)沉積Ge對Si襯底外延SiC薄膜的影響，并得到了相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)。 1)襯底Si表面的碳化調(diào)節(jié)了薄膜和襯底之間的晶格失配，緩沖了應(yīng)力，從而提高了薄膜的質(zhì)量。在Si表面碳化研究中，探索到了

3、最佳的碳化溫度。 2)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量在襯底溫度為1000℃時最好。對于高溫生長的樣品，SiC薄膜和Si襯底間大的熱膨脹系數(shù)失配造成界面更多的位錯，導(dǎo)致結(jié)晶質(zhì)量降低；對于低溫生長的樣品，襯底溫度不高，原子的活性比較低，原子不能擴(kuò)散到薄膜生長的能量最佳位置，因而導(dǎo)致低溫生長的樣品結(jié)晶質(zhì)量下降。 3)在優(yōu)化Si/C(1.5：1)比條件下生長的薄膜的質(zhì)量較好。在低Si/C(1.1:1)和高的Si/C比(2.3：1)條件生長的薄膜

4、的質(zhì)量較差。可以通過控制Si/C來抑制或減少孔洞的形成，改善生長的SiC薄膜的質(zhì)量 4)預(yù)沉積Ge可以提高薄膜的質(zhì)量，且存在一個最佳的預(yù)沉積厚度(0.2nm)及預(yù)沉積溫度。由于預(yù)沉積Ge與Si和C形成了Si1-x-yGexCy合金相，它能調(diào)節(jié)品格失配，緩沖薄膜內(nèi)的應(yīng)力，從而提高薄膜的質(zhì)量。 2 Al2O3襯底上6H-SiC薄膜的外延生長 1)利用SSMBE技術(shù)，在Al2O3(0001)襯底上外延生長出6H-SiC

5、薄膜。X射線φ掃描顯示出薄膜的六次對稱衍射峰，表明生長的SiC薄膜接近單晶水平。 2)在優(yōu)化的襯底溫度下(1100℃)生長的薄膜質(zhì)量較好，在較低溫度(1000℃)和較高溫度(1200℃)條件下生長的薄膜質(zhì)量較差。 3)同步輻射掠入射X射線衍射(GID)研究表明，SiC/Al2O3薄膜內(nèi)受到壓應(yīng)變，它來源于界面處SiC薄膜和藍(lán)寶石襯底熱膨脹系數(shù)的失配。薄膜遠(yuǎn)離界面后，壓應(yīng)變減小，單晶質(zhì)量變好。GID和XRD的研究表明，薄膜

6、內(nèi)存在傾斜(tilt)和扭轉(zhuǎn)(twist)畸變，且扭轉(zhuǎn)大于傾斜。 36H-SiC表面的同質(zhì)外延及量子阱結(jié)構(gòu)的制備 1)預(yù)沉積Si原子后，SiC(0001)表面結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而變化。隨著溫度的升高，SiC表面的Si原子反蒸發(fā)，表面的Si原子減少并先后出現(xiàn)3×3和√3×√3重構(gòu)。 2)利用不同重構(gòu)表面的遷移系數(shù)的差異，調(diào)節(jié)Si束流，在襯底溫度1080℃下，分別在6H-SiC(0001)的√3×√3和3×3重構(gòu)面成功

7、地上實現(xiàn)了3C-SiC和6H-SiC晶型薄膜的外延生長。 3)固定襯底溫度，調(diào)節(jié)束流實現(xiàn)了6H-SiC/3C-SiC/6H-SiC多量子阱薄膜的外延生長，并發(fā)現(xiàn)該量子阱結(jié)構(gòu)的寬發(fā)光帶。經(jīng)計算，寬發(fā)光帶可能來源于不同寬度的量子阱的發(fā)光。 46H-SiC表面石墨烯的外延生長 1)利用超高真空MBE系統(tǒng)，通過高溫退火并輔助Si束流的方法，在6H-SiC(0001)表面成功制備出多層石墨烯。 2)研究了不同退火時