SiC掺Ge材料光电特性的研究

发布时间：2020-10-31 01:03

　　 碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,具有宽带隙、低介电常数、高热导率、高临界击穿电场、高载流子饱和浓度等特点,在半导体光电照明、电力电子、航空航天探测、核能探测及开发、汽车发动机、微波通讯和卫星等领域里,SiC是最有应用前景的半导体材料之一。对于半导体材料而言,掺杂会对材料特性产生影响。研究发现Ge元素可以降低SiC器件的接触电阻,提高迁移率。同时,掺杂Ge会影响SiC晶体结构,使晶格参数和能带结构发生改变。所以,可以通过Ge元素的掺杂,提高SiC材料的性能,制作出性能优异的SiC半导体器件。目前,国内对Ge掺杂SiC的研究仅有理论上的简单分析。基于此本文通过调整Ge元素的掺杂量及掺杂位置,对Ge掺杂SiC材料的光电特性做出了针对性的研究。本文对山东大学提供的Ge掺杂的SiC晶体进行了材料表征,包括样品材料的拉曼光谱表征和卢瑟福背散射表征。通过拉曼光谱确认了晶体的结晶性和均匀性,通过卢瑟福背散射技术进一步确认了晶体的结晶质量。并且对样品材料进行了深能级瞬态谱测试,主要是检测样品的晶体缺陷和深能级杂质。表征和测试的结果证明虽然Ge元素掺杂不是完全均匀,但是样品结晶质量良好。接下来对Ge掺杂SiC材料进行基于第一性原理的光电特性的计算。运用密度泛函理论以及材料学仿真软件Material studio 8.0,计算了4H-SiC本征态的能带结构和态密度,比较了Ge原子分别代替C原子和Si原子下的形成能,并选取了三种Ge掺杂4H-SiC模型:64个原子的超晶胞(2×2×2)中一个Ge原子取代一个Si原子得到的Si_(0.984375)Ge_(0.015625)C、64个原子的超晶胞(2×2×2)中一个Ge原子取代一个C原子得到的SiGe_(0.015625)C_(0.984375)和128个原子的超晶胞(4×2×2)中一个Ge原子取代一个C原子后得到的SiGe_(0.0078125)C_(0.9921875)。计算并分析了三种掺杂下样品能带结构、电子态密度、介电常数、吸收谱和反射谱的结果,最后和本征4H-SiC样品材料性能对比,从而得出Ge元素不同的掺杂位置和掺杂浓度对SiC材料光电特性的具体影响。电学性质方面,Ge_(Si)掺杂后能带结构变化不大,Ge_C掺杂后费米能级附近引入了陷阱能级,且随掺杂浓度增大而增多;光学性质方面,Ge_(Si)掺杂后吸收谱和反射谱变化不大,Ge_C掺杂后吸收谱和反射谱曲线明显向低能端有所偏移,且吸收谱极值下降。综合分析得出,通过Ge的掺杂,电阻率下降,可以使4H-SiC导电性能更强,并且材料的吸收谱与反射谱整体发生红移。这对今后制作性能更优异的半导体SiC器件具有指导意义和实用价值。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304
【部分图文】：

C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的结构图

3左右，生长完成后，掺 Ge 的 4H-SiC 是黄绿色的。如图 2.1 所示。图2.1 掺锗 SiC 晶体2.2 材料的拉曼光谱表征2.2.1 拉曼散射光谱的基本原理1923 年，史梅耳[19]从理论层面预言，物质被频率为0 的单色光入射以后，物质里的分子会对入射光产生频率为0 的散射光。进过几年的研究，印度物理学家拉曼[20]在 1928 年通过一次液体苯的散射光谱研究的实验发现了这种散射。因而这种散射以拉曼的名字命名，称之为拉曼散射，也称之为拉曼光谱，它是一种非弹性散射。后来布拉瑟克在理论上对拉曼光谱做了很多研究，他发现，在经拉曼散射获得的散射光谱中，有两条谱线分别分布在激发线的两侧。其中分布在低频一侧的是斯托克斯线，也称为红伴线

10图2.3 790 cm-1峰的拉曼扫描成像图结果可以看出，三个主峰分别位于 767.4 cm-1，787.6 cm-1和 966.Ⅱ和 EⅠ横向光学(TO)和 AⅠ纵向光学(LO)模式。在拉曼图谱的分析长在600-1000 cm-1的区域称为第一序列，除此之外其他区域称为第，拉曼在第一序列中没有出现特殊的新峰。在之前的研究文献中得 碳化硅的拉曼光谱中，EⅡ峰值的强度强于 EⅠ峰值，并且 EⅠ峰值参考之一[23]。所以当 EⅠ出现并且比 EⅡ强时，结晶是不完美的，果得到证实。接下来测试 20 μm×20 μm 拉曼图谱，选择 EⅠ即 79
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本文编号：2863249