论文部分内容阅读
与传统半导体Si、GaAs相比，第三代半导体SiC具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、载流子饱和迁移速度高、热导率高等特点，并具有极好的物理化学稳定性。优越的物理性质使SiC基电子器件在苛刻环境中的大功率、高频应用中具有明显优势，同时，SiC也被认为是制作光电器件的最佳材料之一。然而，SiC单晶应用于光电器件还面临巨大挑战。它是间接宽带隙半导体，限制了电子在禁带之间的辐射跃迁，通过调控能带结构实现SiC材料在不同波段的发光特性是目前对SiC研究的热点之一;而且SiC禁带宽度大，表面态复杂，使得SiC与金属之间有较高的肖特基势垒，不易与金属电极形成良好的欧姆接触。 SiC在高温下具有很强的稳定性，这有利于SiC基器件在强辐射等极端、恶劣条件下工作。但也导致常规半导体表面处理工艺的条件和方法无法满足SiC多功能化应用的要求。激光作为一种高能、高可控性的能量源，在半导体材料改性方面有着越来越广泛的研究和应用。其中，短波长紫外激光（如248nm波长的KrF准分子激光），由于具有高光子能量，且SiC对此波长激光有很强的吸收，通过激光辐照可以实现对SiC表面宏观上物理化学性质的高效改性。 本文针对准分子激光辐照n型6H-SiC对其光致发光和表面电接触性质的调控及物理机制进行了研究。通过对微观结构及成分变化的分析，研究了准分子激光作用在SiC表面的辐照效应，研究获得紫外激光光子能量作用使Si-C断键致多层石墨烯形成，与光致N离子注入形成浅施主能级跃迁及Si纳米晶对能带的共同调制而产生蓝光发光。进一步研究激光辐照后SiC表面的氧化反应，获得辐照后样品的光致白光连续谱发光，同时，在高于6H-SiC禁带宽度处出现明显的紫外发光峰。激光诱导SiC产生了镶嵌有Si纳米晶及C团簇的SiOx非晶织构，是激光辐照SiC调控产生白光光致发光的主要原因。在获得SiC光致发光调控的基础上，为未来实现电致发光的调控，探索了激光辐照对SiC表面电接触性质的改善研究，以克服目前金属/SiC欧姆接触电极材料选择局限性的问题。经过激光辐照研究，n型6H-SiC表面欧姆接触特性获得了明显改善，欧姆接触电极材料可不受金属功函数限制，且无需传统退火工序，为实现SiC电致发光器件制造，在突破欧姆接触电极材料选择局限性，及快速制备图形化电极方面提供了新途径。 本文选用波长为248nm的KrF准分子激光器进行辐照改性实验。由于248nm激光的光子能量为5eV，大于Si-C键的键能，因此，当激光能量足够大，材料表面累计吸收能量超过键能加上化学键断裂所需要的振动能时，可以使SiC表面发生断键而致光化学反应。激光辐照能量密度达到0.7J/cm2，辐照70个脉冲后，SiC表面生成石墨烯。而在空气中室温的条件下，由于在空气中气压远远大于真空环境，且激光脉宽为25ns，作用时间远小于传统持续加热的时间，断键后脱离Si-C键束缚的Si原子并不能从SiC表面逸出至空气中，而在SiC表面聚集，由非晶状态逐渐成核结晶。当能量密度为1.08J/cm2，辐照70个脉冲后，在表面形成Si纳米晶。辐照过程中，N原子引入增强了浅施主能级的辐射跃迁，与光致石墨烯和Si纳米晶的形成共同产生对能带的调整，调控样品由辐照前的光致本征黄绿发光转换为光致蓝光发光。 当能量密度增加到2.1J/cm2，脉冲数超过1000个后，SiC表面除了发生光致分解还会发生明显的氧化反应，产生无定形SiOx回落到SiC衬底上，形成花菜状微纳复合结构，其中镶嵌有Si纳米晶颗粒，母体为SiOx非晶织构。Si纳米晶颗粒的表面与SiOx织构之间存在大量氧空位等缺陷辐射复合中心，导致在374nm处出现很强的紫外光致发光峰，样品整体宏观上呈现白光发光现象。在不同环境，包括水中和真空中，亦研究了激光辐照对SiC表面光致发光的调制作用。研究发现，只有在空气中辐照的SiC样品才会在325nm光激发下产生紫外/白光宽波段发光。花菜状微纳米结构对光致发光的增强也有明显贡献。SiC表面光致发光的色温值增大到5000K以上。并在脉冲数为4000个时，色温值非常接近于理想白光光源太阳光的5500K，在发展白光LED器件方面具有潜在的应用价值。 随着激光辐照SiC，SiC表层的Si-C键发生断裂，晶格内会产生缺陷，使载流子浓度增加。从而使SiC表面形成了重掺杂层，使金属/SiC的肖特基势垒厚度变薄，增加了电子通过量子隧穿效应穿过势垒的几率，有利于欧姆接触的形成。当激光辐照能量密度达到0.7J/cm2，经70个脉冲辐照，表面产生多层石墨烯，可以同时减小接触电阻和界面处的势垒高度，金属沉积在辐照区后，不需要高温退火工艺直接与SiC形成欧姆接触。激光能量密度继续增加到1.1J/cm2以上，SiC表面出现结晶硅。此时，界面处由于禁带宽度变窄，势垒高度减小，热电子场发射几率增大，更容易与金属形成欧姆接触，大大拓宽了与SiC单晶形成欧姆接触的金属电极材质的选择。 采用激光辐照的方法，通过工艺条件的控制，实现了对SiC材料表面光致发光和电接触性能的调控，为新型SiC材料的制备提供了新的思路和方法，对SiC基新型发光器件的发展和应用具有非常重要的研究意义。