典型半导体材料电学性能的温度依赖特性研究

发布时间：2020-09-07 17:47

　　 随着微电子技术和武器装备水平的高速发展,对温度作用下半导体材料的服役性能提出了更高的要求,为此开展典型半导体材料光电性能的温度依赖特性研究具有重要意义。SiC和VO2半导体材料具有特殊的温度依赖特性,在高温吸波和智能激光防护等领域具有重要的应用前景。本论文以SiC和VO2为研究对象,研究了不同类型元素掺杂对SiC结构稳定性和光电性能的影响规律,构建了SiC的掺杂-结构-温度-性能之间的关系。探索了相组成、薄膜取向、微观结构等因素对VO2薄膜相变性能和高温稳定性的影响机理,建立了Al2O3/TiO2/VO2多层复合薄膜的相变性能调控方法。(一)非磁性元素掺杂碳化硅的电子结构、高温介电和吸波性能研究采用第一性原理计算研究了非磁性元素(Al、N)掺杂对3C-SiC的结构稳定性和光电导的影响。发现Al/N共掺杂SiC的结构稳定性要优于Al单掺杂。共掺杂SiC在近红外至紫外区域的光电导值明显高于纯SiC,且本征吸收带边红移幅度大于Al掺杂。深入分析了Al、N和Al/N共掺杂SiC的电子跃迁和补偿机制,揭示了掺杂对SiC带隙裁剪和光电导调控的作用本质。采用机械活化辅助燃烧合成法成功制备出Al、Al/N和N掺杂3C-SiC粉末。发现非磁性元素掺杂可以增加SiC的载流子和空位等缺陷数量,从而提高了SiC的介电常数虚部?'和介电损耗tanδ。在X波段,Al和Al/N掺杂SiC的?'随着温度升高表现出的增加幅度大于N掺杂,表明电导损耗的贡献较大;而N掺杂SiC的?'出现两个明显的弛豫峰,以弛豫损耗为主。N掺杂体系的两个弛豫峰是由N掺杂引起的缺陷以及空位缺陷引起的偶极子极化弛豫所致。相比于纯SiC,Al、Al/N和N掺杂SiC在623K时的最大反射损耗由15.59dB提高为18.46、28.96和21.24dB,有效带宽从1.57GHz拓宽至2.31、2.76和2.74GHz。说明非磁性掺杂有效改善了SiC的高温吸波性能。(二)过渡金属掺杂碳化硅的电子结构、光学性能及高温介电性能研究采用DFT+U的修正方法探索了Ni掺杂SiC的结构稳定性,发现Ni取代Si原子的结构稳定性优于取代C原子。Ni掺杂在SiC的能带结构带隙中引入未填满态杂质能级。随着Ni掺杂浓度的增加,杂质能级数量增加,进一步提高了SiC的电导率。Ni掺杂SiC的介电常数、吸收谱和光电导在低频均出现3个新峰,吸收带边红移至远红外区域,这是由电子在价带、杂质能级和导带之间的跃迁所致。采用机械活化辅助燃烧合成法成功制备出Fe、Co和Ni掺杂3C-SiC粉末。Fe、Co和Ni掺杂均可以提高SiC的介电性能,提高幅度依次为Fe掺杂Co掺杂Ni掺杂。在X波段,随着温度从293K升高至623K,Fe、Co和Ni掺杂SiC的介电常数出现增加趋势。Co和Ni掺杂体系的介电常数虚部?'出现两个弛豫峰,Fe掺杂体系的介电常数虚部?'仅出现一个弛豫峰。通过研究Fe、Co和Ni掺杂及碳空位(Vc)对SiC能带结构和差分电荷密度图的影响规律,发现掺杂和空位同时作用时,SiC带隙中出现更多的杂质能级,彼此增加了对方吸引电子的数目,破坏了体系的电荷平衡,形成偶极子,偶极子的极化弛豫形成了介电常数虚部的弛豫峰。(三)不同晶向蓝宝石基底上VO2薄膜的制备及高温稳定性研究系统研究了磁控溅射、后续热处理工艺以及不同晶向Al2O3衬底对VO2薄膜成分、微观形貌和相变特性的影响,优化出薄膜的最佳制备工艺参数。分别在m-、a-和r-Al2O3衬底上诱导出具有3种(402)、(002)和(011)不同择优取向的VO2薄膜,薄膜相变前后电阻跃迁幅度均达到4个数量级以上。由于VO2和不同基底之间的晶格错配度不同,导致VO2薄膜微观形貌各异,其中,m-Al2O3/VO2主要以条状和等轴晶粒为主,a-Al2O3/VO2主要由大尺寸等轴晶粒组成,r-Al2O3/VO2则是由细小等轴晶粒组成。在高温氧化环境中,开展了不同微观形貌VO2薄膜的组织和光电调制性能的演变规律研究,揭示了择优取向、晶粒形状、晶粒尺寸和缺陷对VO2薄膜抗氧化性的影响机制,发现m-Al2O3/VO2具有良好的电学稳定性,a-Al2O3/VO2具有最稳定的红外调制率。(四)Al2O3/TiO2/VO2复合薄膜的相变性能调控及激光防护性能研究采用磁控溅射方法在m-Al2O3基底上原位制备了金红石相TiO2缓冲层。研究了原位和经热处理的TiO2缓冲层对VO2薄膜的取向、形貌和相变性能的影响,发现原位TiO2诱导的VO2薄膜具有(402)择优取向,相变点为59℃,相变前后电阻率跃迁幅度达4.7个数量级,热滞回线宽度为2℃。获得了TiO2缓冲层厚度和VO2薄膜厚度对VO2的成分、形貌和相变性能的影响规律。随着缓冲层厚度的增加,VO2薄膜的相变点依次升高(40℃、62℃和66℃)。随着VO2薄膜厚度的增加,薄膜的晶粒尺寸增加,相变点从40℃升高至60℃,表明当VO2厚度超过临界厚度时,外延应力得到部分释放,TiO2的诱导作用减弱。开展了VO2薄膜和TiO2/VO2复合薄膜的1064nm准分子纳秒脉冲激光防护行为研究,并探讨了损伤机理,两种薄膜激光损伤阈值分别为19.9mJ/cm2和44.8mJ/cm2。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN304

【共引文献】

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本文编号：2813644