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宽带隙半导体SiC和ZnO的光电性质及掺杂研究

作　者: 陈小庆
导　师: 傅竹西
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 碳化硅氧化锌薄膜生长掺杂导电类型
分类号: TN304.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

SiC和ZnO属于第三代宽禁带半导体材料,它们都有很多优良的性能,所以一直都是人们研究的热点。SiC是一种典型的宽禁带半导体材料,迁移率很高、热稳定性和化学稳定性比较优良,在一些特殊的电子器件制造方面有非常大的应用潜力,比如高频、大功率、耐高温、抗辐射等。然而,SiC材料单晶片价格昂贵,目前国内虽已有了SiC单晶材料生长的相关报道,但其质量不好,高质量的SiC单晶片还需要进口,并且进口的单晶片还只是小尺寸的,大面积单晶片依然难以制备。这样的现状促使人们探讨在一些廉价衬底上生长SiC薄膜的方法,比如硅基片。一方面由于目前硅工艺比较成熟,可以买到很廉价的大面积的高纯硅基片,另一方面,在Si衬底上生长SiC薄膜,可以使我们的SiC制备与目前世界上已经比较成熟的Si工艺相结合,制备出相应的Si基器件,以适应大规模集成电路的需要。ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族的半导体材料,在室温下有着3.37 eV的禁带宽度(直接带隙),激子结合能高达60 meV,因而受到了广泛关注,人们普遍认为它有望取代GaN而作为新一代短波长光电子材料的领军者。随着ZnO半导体材料的性质和制备工艺的研究不断的进展,基于ZnO的器件,特别是其光电子方面的器件研究取得了巨大进展,但目前来说还未达到实用化水平,其发展已到了瓶颈阶段,因而需要对ZnO材料的一些最基本的问题进行深入研究,比如说ZnO中的掺杂和缺陷,ZnO的生长设备改进,高质量的p型ZnO制备等等。另一方面,可以寻找其它p型衬底,来异质外延n型ZnO薄膜,制造异质pn结,并且研究其电致发光,也引起了人们的广泛关注。围绕上述背景,本论文分为五章,主要内容概括如下：第一章,简单介绍了SiC和ZnO的基本性质,包括结构,力学性质,热学性质,光电性质,介绍了它们的常用制备方法和表征手段,以及它们的广泛应用前景。第二章,具体介绍了我们实验组自行设计的,联通式双反应室的MOCVD设备。第三章,用MOCVD设备在硅衬底上制备了高质量的SiC掺Al薄膜,研究了Al在SiC薄膜中的掺杂机制,研究了SiC掺Al薄膜的导电类型调控。第四章,利用磁控溅射方法,在6H-SiC单晶片上外延掺Sb的ZnO薄膜,同时生长纯的ZnO薄膜作为对比,研究Sb掺杂对于ZnO薄膜的缺陷和光学性质的影响。第五章,总结和展望。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-60
  1.1 SiC材料的简单介绍  13-26
    1.1.1 SiC材料的基本性质  14-15
    1.1.2 SiC晶体的结构性质  15-16
    1.1.3 SiC的物理和化学性质  16-18
    1.1.4 SiC材料的制备  18-20
    1.1.5 SiC材料的掺杂  20-21
    1.1.6 SiC薄膜的生长及缺陷  21-22
    1.1.7 SiC的人为导电类型控制掺杂  22-23
    1.1.8 SiC的器件工艺及其应用  23-26
  1.2 ZnO材料概述和基本性质  26-38
    1.2.1 ZnO的晶体结构  28-30
    1.2.2 ZnO晶体的电学性质和能带结构  30-32
    1.2.3 ZnO的光学性质  32-34
    1.2.4 ZnO薄膜的生长、掺杂及研究现状  34-38
  1.3 固体中的缺陷  38-40
    1.3.1 缺陷分类  38-39
    1.3.2 缺陷的作用  39-40
  1.4 薄膜的制备技术和表征手段  40-56
    1.4.1 薄膜的制备技术  40-48
      1.4.1.1 分子束外延技术(MBE)  40-41
      1.4.1.2 脉冲激光沉积技术(PLD)  41-42
      1.4.1.3 真空溅射技术(Sputter1ng)  42-43
      1.4.1.4 喷雾热分解法(SprayPyrolysis)  43
      1.4.1.5 溶胶—凝胶(Sol—Gel)法  43-44
      1.4.1.6 液相外延技术  44-45
      1.4.1.7 化学气相沉积技术(Vc)D  45-46
      1.4.1.8 金属有机物化学气相沉积技术  46-48
    1.4.2 针对薄膜样品的表征手段  48-56
  参考文献  56-60
第二章连通式双反应室MOCVD设备  60-68
  2.1 引言  60-61
  2.2 联通式、双反应式MOCVD系统介绍  61-66
  2.3 本章小结  66-67
  参考文献  67-68
第三章 MOCVD制备SiC:Al/Si薄膜的导电类型调控研究  68-88
  3.1 引言  68
  3.2 SiC/Si异质外延生长和竞位外延掺杂理论  68-76
    3.2.1 SiC/Si薄膜的生长简介  68-69
    3.2.2 Si衬底上外延SiC薄膜的动力学理论分析  69-71
    3.2.3 Si衬底上生长SiC薄膜的化学机理分析  71-75
    3.2.4 "竞位外延"掺杂理论  75-76
  3.3 样品制备  76-78
  3.4 试验结果及分析  78-85
    3.4.1 样品的导电类型测量结果  78-80
    3.4.2 样品的XPS测试结果  80-81
    3.4.3 样品的XRD测试结果  81-82
    3.4.4 样品的SEM测试结果  82-83
    3.4.5 样品的霍尔测试结果  83-85
  3.5 本章小结  85-87
  参考文献  87-88
第四章 Sb掺杂ZnO薄膜的缺陷和光学性质研究  88-101
  4.1 引言  88
  4.2 实验设备介绍  88-89
  4.3 样品制备  89-90
  4.3 实验结果及分析  90-97
    4.3.1 样品的XRD测试结果  90-91
    4.3.2 样品的XPS测试结果  91
    4.3.3 样品的低温光致发光(PL)分析  91-97
  4.4 本章小结  97-98
  参考文献  98-101
第五章总结和展望  101-103
致谢  103-104
攻读博士期间发表的论文目录  104-105

宽带隙半导体SiC和ZnO的光电性质及掺杂研究

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