低維碳化硅的VLS自組裝生長(zhǎng)研究.pdf

1、碳化硅(SiC)是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物，是繼第一代元素半導(dǎo)體(Si)和第二代化合物半導(dǎo)體（GaAs、InP、GaP等）材料之后的第三代半導(dǎo)體材料的典型代表。它具有帶隙寬、臨界擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、飽和電子漂移速率高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在高溫、高頻、高功率、光電子及抗輻射器件等方面都具有巨大的應(yīng)用潛力。
　　 氣-液-固(VLS)生長(zhǎng)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于納米線、納米棒的生長(zhǎng)。由于催化劑的存在，在VLS生長(zhǎng)過(guò)

2、程當(dāng)中，有液相參與材料的生長(zhǎng)。采用VLS自組裝生長(zhǎng)SiC時(shí)，反應(yīng)氣體分解出的C和Si原子，在液滴的輔助作用下溶解于液相中，當(dāng)C和Si原子在液滴中達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，就會(huì)在液-固界面析出并生成SiC，這與液相外延非常類似，因此，VLS生長(zhǎng)機(jī)制結(jié)合了液相外延和傳統(tǒng)CVD方法的優(yōu)點(diǎn)。由于有液相的參與，所生長(zhǎng)出的SiC具有良好的結(jié)晶性。本論文采用VLS生長(zhǎng)技術(shù)，進(jìn)行SiC的生長(zhǎng)，采用掃描電子顯微分析技術(shù)、X射線能譜分析技術(shù)、X射線衍射分析技術(shù)、原子力

3、顯微分析技術(shù)、電子背散射衍射分析技術(shù)、透射電子顯微分析技術(shù)和微區(qū)拉曼分析技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行了表征。
　　 首先，利用VLS生長(zhǎng)技術(shù)，以金屬Ni做催化劑，成功地在Si基片上合成了SiC晶須，生長(zhǎng)出的SiC晶須直徑從數(shù)nm到2.5μm，探索了VLS生長(zhǎng)過(guò)程，研究了反應(yīng)溫度、生長(zhǎng)氣壓、催化劑厚度等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)SiC生長(zhǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)了SiC自組裝生長(zhǎng)的控制。
　　 在揭示了SiC自組裝生長(zhǎng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)SiC晶須的定位生長(zhǎng)，我

4、們采用圖形化的Si基片，利用VLS技術(shù)，以Ni作為催化劑，成功地合成了3C-SiC微米柱陣列，微米柱直徑達(dá)20μm。研究中發(fā)現(xiàn)，在SiC微米柱的微區(qū)拉曼圖譜中，3C-SiC的縱向聲子模峰的半高寬僅為8cm-1，而且微米柱中殘存應(yīng)力小(僅為0.3GPa)，結(jié)晶良好。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步生長(zhǎng)出了長(zhǎng)條狀的SiC陣列(大小為0.05mm×1mm，深度為100μm)，實(shí)現(xiàn)了3C-SiC的選擇性生長(zhǎng)。
　　 在SiC微米柱陣列的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，觀

5、察到了自組裝SiC的橫向生長(zhǎng)現(xiàn)象。利用VLS的橫向生長(zhǎng)現(xiàn)象，開(kāi)展了6H-SiC的同質(zhì)外延生長(zhǎng)研究。與傳統(tǒng)CVD同質(zhì)外延SiC薄膜相比較，采用VLS同質(zhì)外延的SiC薄膜，雖然表面平整度較差(表面臺(tái)階高度約為15nm，均方根粗糙度為4.5nm)，但有效地封堵了基片表面的微管。為了進(jìn)一步提高薄膜質(zhì)量，提出了“兩步法”外延6H-SiC薄膜的技術(shù)路線。采用“兩步法”外延的6H-SiC薄膜，既有效地封堵了微管，又使薄膜表面平整度獲得了極大地改善(表

6、面臺(tái)階高度降低為4nm，均方根粗糙度降低為2.5nm)。高分辨的X射線衍射分析圖譜表明：“兩步法”生長(zhǎng)的SiC薄膜雖然分為了兩層，但都具有良好的結(jié)晶性；并且在室溫下，載流子濃度和遷移率分別為7.9×1018/cm3和200(cm2/Vs)。
　　 最后本論文還探索了3C-SiC薄膜的應(yīng)力釋放方法。以甲基三氯硅烷(MTS)作為反應(yīng)氣體，在Si基片上合成了多孔SiC薄膜，研究了溫度、流量等工藝條件對(duì)多孔SiC薄膜生長(zhǎng)的影響。在此基礎(chǔ)