SiC薄膜的制备及性能研究

第1页共32页SiC薄膜的制备及性能研究指导老师：学生姓名：专业班级：材料工程摘要碳化硅被誉为下一代半导体材料，因为其具有众多优异的物理化学特性，被广泛应用于光电器件、高频大功率、高温电子器件。本文阐述了SiC研究进展及应用前景，从光学性质、电学性质、热稳定性、化学性质、硬度和耐磨性、掺杂物六个方面介绍了SiC的性能。SiC有高的硬度与热稳定性,稳定的结构,大的禁带宽度,高的热导率,优异的电学性能。同时介绍了SiC的制备方法：物理气相沉积法和化学气相沉积法，以及SiC薄膜表征手段。包括X射线衍射谱、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱等。最后讲了SiC的光学性能和电学性能以及参杂SiC薄膜的光学性能研究进展。关键词：SiC，溅射，掺杂，性能研究第2页共32页StudyOnTheSynthesisAndPropertiesOfSiCFilmClass:MaterialEngineeringName:HengyiWangInstructor:YuxiangLiAbstractSiliconcarbideisknownasnext-generationsemiconductormaterials,becauseithasmanyexcellentphysicalandchemicalcharacteristics,widelyappliedlightelectricparts,highfrequencypower,hightemperatureelectronicdevices.Thispaperexpoundstheresearchprogressandapplicationprospectsoffoundation,fromopticalproperties,electricalproperties,thermalstability,chemicalproperties,hardnessandabrasionresistance,dopingthingsixaspectsintroducestheperformanceofSiC.SiChashighhardnessandthermalstability,stablestructure,largeforbiddenbandwidth,highthermalconductivity,excellentelectricalproperties.MeanwhileintroducesthepreparationmethodsofSiC:thephysicalvapordepositionandchemicalvapordeposition,andSiCfilmcharacterizationmethods.IncludingX-raydiffractionspectrum,Fourier第3页共32页infraredspectra,Ramanspectra,X-rayphotoelectronspectroscopy(XPS).FinallyspokeSiCopticalperformanceandelectricalpropertiesandjoinedSiCfilmopticalpropertiesresearchprogress.Keywords:SiC,Spurting,Mingle,Performancestudy第4页共32页目录1绪论…………………………………………………………………51.1引言……………………………………………………………51.2SiC材料的研究进展…………………………………………61.3SiC的晶体结构、特性及应用前景…………………………71.3.1SiC的晶体结构………………………………………71.3.2SiC的物理和化学性质………………………………91.3.3SiC的应用前景………………………………………111.4SiC的掺杂……………………………………………………122SiC薄膜的制备方法………………………………………………142.1物理气象沉积法……………………………………………142.1.1溅射…………………………………………………142.1.2分子束外延…………………………………………162.1.3离子注入合成法……………………………………172.2化学气象沉积法……………………………………………172.2.1低压化学气相沉积…………………………………172.2.2热灯丝化学气相沉积法……………………………182.2.3等离子增强化学气相沉积…………………………18第5页共32页3SiC薄膜的表征方法………………………………………………213.1X射线衍射谱………………………………………………213.2傅里叶红外光谱……………………………………………223.3拉曼光谱……………………………………………………223.4X射线光电子能谱…………………………………………243.5原子力显微镜和各种电镜…………………………………244SiC薄膜的性能研究………………………………………………254.1SiC薄膜的力学性能方面……………………………………254.3SiC薄膜电学性能方面………………………………………254.3SiC薄膜掺杂及光学性能方面的研究………………………265小结………………………………………………………………286参考文献…………………………………………………………297致谢………………………………………………………………32第6页共32页1绪论1.1引言SiC由Si原子和C原子组成，其晶体结构具有同质多型体的特点，在半导体领域最常见的是具有立方闪锌矿结构的3C-SiC和六方纤锌矿结构的4H-SiC和6H-SiC。21世纪以来以Si为基本材料的微电子机械系统(MEMS)已有长足的发展，随着MEMS应用领域的不断扩展，Si材料本身的性能局限性制约了Si基MEMS在高温、高频、强辐射及化学腐蚀等极端条件下的应用。因此寻找Si的新型替代材料正日益受到重视。在众多半导体材料中，SiC的机械强度、热学性能、抗腐蚀性、耐磨性等方面具有明显的优势，且与IC工艺兼容，故而在极端条件的MEMS应用中，成为Si的首选替代材料。SiC材料具有良好的电学特性和力学特性，是一种非常理想的可适应诸多恶劣环境的半导体材料。它禁带宽度较大，具有热传导率高、耐高温、抗腐蚀、化学稳定性高等特点，以其作为器件结构材料，可以得到耐高温、耐高压和抗腐蚀的SiC-MEMS器件，具有广阔的市场和应用前景。同时SiC陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因此，是当前最有前途的结构陶瓷之一，并且已在许多高技术领域(如空间技术、核物理等)及基础产业(如石油化工、机械、车辆、造船等)得到应用，用作精密轴承、密封件、气轮机转子、喷嘴、热交换器部件及原子核反应堆材料等。如利用多层多第7页共32页晶碳化硅表面微机械工艺制作的微型电动机，可以在490℃以上的高温环境下稳定工作。但是SiC体单晶须在高温下生长，掺杂难于控制，晶体中存在缺陷，特别是微管道缺陷无法消除，而且SiC体单晶非常昂贵，因此发展低温制备SiC薄膜技术对于SiC器件的实际应用有重大意义。目前，制备SiC薄膜的方法主要分为两大类：物理气相沉积法和化学气相沉积法。物理气相沉积主要包括溅射法、离子注入法、分子束外延等。化学气相沉积主要有低压化学气相沉积、热灯丝化学气相沉积、等离子体化学气相沉积[1]。1.2SiC材料的研究进展国际上，SiC的发展至今经历了3个研究时期：第一是采用升华法制备SiC单晶来开发各种器件的时期；第二是SiC的外延生长等基础研究时期；第三是接近于相关领域应用要求的当前研究开发时期。SiC晶体的获得最早是用AchesonZ工艺将石英砂与C混合放入管式炉中2600℃反应生成，这种方法只能得到尺寸很小的多晶SiC。至1955年，Lely用无籽晶升华法生长出了针状3C-SiC孪晶，由此奠定了SiC的发展基础。20世纪80年代初Tairov等采用改进的升华工艺生长出SiC晶体，SiC作为一种实用半导体开始引起人们的研究兴趣，国际上一些先进国家和研究机构都投入巨资进行SiC研究。20世纪90年代初，CreeResearchInc用改进的Lely法生长6H-SiC晶片并实现商品化，并于1994年制备出4H-SiC晶片。这一突破性进展立即掀起了SiC晶体及相第8页共32页关技术研究的热潮。目前实现商业化的SiC晶片只有4H-和6H-型，且均采用PVD技术，以美国CreeResearchInc为代表。采用此法已逐步提高SiC晶体的质量和直径达7.5cm，目前晶圆直径已超过10cm，最大有用面积达到40mm2，微导管密度已下降到小于0.1/cm2。现今就SiC单晶生长来讲，美国处于领先地位，俄罗斯、日本和欧盟(以瑞典和德国为首)的一些公司或科研机构也在生产SiC晶片，并且已经实现商品化。SiC作为第三代半导体材料的杰出代表，由于其特有的物理化学特性丽成为制作高频、大功率、高温器件的理想材料。随着SiC体材料的生长和外延技术的成熟，各种SiC器件将会相继出现。目前，SiC器件的研究主要以分立器件为主，仍处于以开发为主、生产为辅的阶段[1]。1.3SiC的晶体结构、特性及应用前景1.3.1SiC的晶体结构SiC的基本结构单元是Si-C四面体，属于密堆积结构。由单向堆积方式的不同产生各种不同的晶型，已经发现的同质多型体就有250多种。密堆积有3种不同的位置，记为A，B，C。依赖于堆积顺序，Si-C键表现为立方闪锌矿或六方纤锌矿结构。如堆积顺序为ABCABC，则得到立方闪锌矿结构，记作3c-SiC或p-SiC(c=cubic)。若堆积顺序为ABAB，则得到纯六方结构，记为2H-SiC。其它多型体为以上两种堆积方式的混合。两种最常见的六方晶型是4H和6H。其堆积方式分别第9页共32页为ABCB’ABCB和ABCACB’ABCACB，如图1-1所示。图1-1不同多型碳化硅在(1120)面上的堆叠序列不同的SiC多型体在半导体特性方面表现出各自的特性。利用SiC的这一特点可以制作SiC不同多型体间晶格完全匹配的异质复合结构和超晶格，从而获得性能极佳的器件．其中6H-SiC结构最为稳定，适用于制造光电子器件：p-SiC比6H-SiC活泼，其电子迁移率最高，饱和电子漂移速度最快，击穿电场最强，较适宜于制造高温、大功率、高频器件，及其它薄膜材料(如A1N、GaN、金刚石等)的衬底和X射线的掩膜等。而且，β-SiC薄膜能在同属立方晶系的Si衬底上生长，而Si衬底由于其面积大、质量高、价格低，可与Si的平面工艺相兼容，所以后续PECVD制备的SiC薄膜主要是β-SiC薄膜[2]。1.3.2SiC的物理和化学性质(1)光学性质材料带隙即禁带的大小决定了器件的很多性质，包括光谱响应特性、抗辐射特性、工作温度以及击穿电压等许多器件的重要特性。SiC的禁带宽，如4H-SiC是3.2eV，6H-SiC是2.8eV，所以SiC具有良好的第10页共32页紫外光谱响应特性，对红外辐射不响应，抗辐射特性好，可应用于检测红热背景下的微弱紫外信号。而且其暗电流很低，工作温度高，故也可用于探测高温环境中的紫外信号。SiC在很宽的光谱范围（2.2～3.2eV）内也有良好的发光特性。不过，SiC的光学特性与晶体取向及同质多型体的结构有很密切的关系。(2)电学性质SiC的临界击穿电场比常用半导体Si和GaAs都大很多，这说明SiC材料制作的器件可承受很大的外加电压，具备很好的耐高特性。另外，击穿电场和热导率决定器件的最大功率传输能力。击穿电场对直流偏压转换为射频功率给出一个基本的界限，而热导率决定了器件获得恒定直流功率的难易程度。SiC具有优于Si和GaAs的高温工作特性，因为SiC的热导率和击穿电场均高出Si，GaAs好几倍，带隙也是GaAs，Si的两三倍。电子迁移率和空