Si基SiCN晶体薄膜的制备研究

发布时间：2020-05-14 08:02

【摘要】：硅碳氮(SiCN)作为一种带隙在2.86～5.0 eV范围内可调的宽禁带半导体材料,可应用于蓝光或紫外光光电器件。大部分方法所制备的SiCN薄膜都是非晶的,虽然也有硅碳氮(SiCN)晶体材料的报道。为了提高SiCN薄膜的结晶度、有效地控制薄膜的组分、探讨薄膜的生长机制,科学家们尝试着用更多的方法来制备SiCN薄膜。首先,本文提出了一种制备SiCN晶体薄膜的新方法:利用化学气相沉积(CVD)系统,通过恒定源扩散的方法,在碳化过的Si(111)衬底上成功制备了 SiCN晶体薄膜。然后,基于特殊的组分结构,将SiCN晶体薄膜作为缓冲层来提高Si基3C-SiC的晶体质量。最后,通过热扩散过程,在Si(111)衬底上制备了 SiCN晶体薄膜。取得的成果如下:(1)利用化学气相沉积(CVD)系统,通过恒定源扩散方法,在碳化过的Si(111)衬底上制备了具有与3C-SiC相同晶体结构的SiCN晶体薄膜。利用XPS深度剖析,表征了SiCN晶体薄膜的组分结构:SiCN薄膜由元素硅和SiC1-χNχ合金组成,而SiC1-χNχ合金中的C、N元素可以相互替换。利用恒定源扩散模型对SiCN薄膜的元素分布进行拟合,证实了SiCN薄膜是由C、N原子在硅衬底中热扩散所形成的。此SiCN薄膜的形成方法是SiCN晶体薄膜制造技术的一个重要的补充。(2)利用化学气相沉积(CVD)系统,在SiCN缓冲层上首次成功外延了3C-SiC薄膜,并证实了 SiCN缓冲层能有效地提高外延3C-SiC薄膜的晶体质量。进一步揭示了 SiCN缓冲层在高温外延3C-SiC过程中的演化规律:在高温外延3C-SiC的过程中,SiCN缓冲层由原位形成的SiCN薄膜演变成SiC1-χNχ合金层和SiCN复合层。由SiC1-χNΧ合金层和SiCN复合层构成的SiCN缓冲层能有效地调节SiC和Si衬底之间的晶格失配,促进高质量3C-SiC(111)的生长。(3)SiCN缓冲层上的3C-SiC的晶体质量、薄膜表面形貌以及晶体中的应力随3C-SiC的生长时间的演化规律:随着SiC薄膜生长时间的增加,薄膜的结晶质量有所提高;薄膜的表面粗糙度(RMS)从34.28 nm减少到21.33 nm;薄膜从面内双轴压应变状态转换到面内双轴张应变状态。在SiCN缓冲层上外延的3C-SiC薄膜,SiC层与SiC1-χNχ合金层之间存在微小的晶格失配而在3C-SiC中产生面内压应力,使得薄膜随着生长时间的增加从面内双轴压应变状态转换到面内双轴张应变状态,从而能有效地减少面内双轴张应力。(4)通过热扩散过程,在Si(111)衬底上制备了具有与6H-SiC相同晶体结构的SiCN晶体薄膜,可分为SiC1-χNχ合金层和SiCN复合层。扩散模型的拟合可知,SiCN晶体薄膜中的SiCN复合层主要由C、N原子在硅衬底中热扩散所形成的,SiC1-χNχ合金层由SiCN复合层中的N向外扩散、C原子继续向里扩散所形成的。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.2;TB383.2

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本文编号：2663062