论文总字数：21454字

摘 要

本文拟利用激光CVD法，制备未掺杂Al的本征SiC半导体薄膜以及掺杂了Al的p型半导体薄膜。对两种方法进行了比较，以确定制备Al掺杂的p型SiC半导体薄膜相比于未掺杂Al的SiC电学性能明显提升。

论文主要研究了在1673K、4kPa的实验条件下，采用卤化物红外激光CVD并以SiCl₄、CH₄和H₂为前驱体、以AlCl₃为掺杂的原料，制备两种不同的本征3C-SiC薄膜和Al掺杂的p型3C-SiC半导体薄膜。对两种材料都进行XRD、拉曼光谱、SEM等方面的表征测试。

研究结果表明：相比于未掺杂的SiC薄膜，Al掺杂了的SiC在表面形貌表现出了很大的不同，在电学性能方面也表现出了不同的性能。经过Al掺杂的SiC表面形貌晶粒会由较规则多面体变成鹅卵石状的晶粒，晶粒会由不连续的生长变为逐渐连续的生长状态。在电学性能上，Al掺杂了的SiC的电导率比未掺杂的SiC的电阻率明显升高。另外，根据拉曼图谱的对比，本文研究的样品还存在的N掺杂，这是由于制备SiC的过程中不可控的N掺杂导致的。

本文的特色：相比较于其他的SiC制备方法，红外激光CVD高的沉积速率而被广泛用于快速制备薄膜材料；前驱体SiCl₄具有低的成本和高的沉积速率而受到人们青睐。另外，3C-SiC因具有许多优异性能而成为一种非常有应用前景的功能材料。

关键词：3C-SiC；CVD；N-Al掺杂；p型半导体

Abstract

This article intends to use laser CVD to prepare intrinsic Al-doped SiC semiconductor films and Al-doped p-type semiconductor films. Comparing the two methods, it is found that the electrical properties of Al doped p-type SiC semiconductor films are much better than that of Al undoped SiC films.

The paper mainly studies the preparation of two different intrinsic 3C-SiC films and Al-doped films under the experimental conditions of 1673k and 4kPa using halide infrared laser CVD, SiCl4 as the precursor, and AlCl₃ as the doped raw materials. p-type 3C-SiC semiconductor thin film. Both materials were tested for hardness, XRD, Raman spectroscopy, and SEM.

The results show that compared with undoped SiC films, Al-doped SiC shows a great difference in surface morphology, and also shows different properties in terms of electrical properties. The surface morphology of Al-doped SiC grains will change from more regular polyhedrons to cobblestone-like grains, and the size of the grains will become larger, thereby changing from discontinuous growth to gradually continuous growth. In terms of electrical properties, the conductivity of Al-doped SiC is significantly higher than that of undoped SiC. In addition, according to the comparison of Raman spectra, there are still N-doping in the samples studied in this paper, which is caused by the uncontrollable N-doping in the preparation of SiC.

The characteristics of this paper: Compared with other SiC preparation methods, infrared laser CVD has a high deposition rate and is widely used for the rapid preparation of thick film materials; the precursor SiCl₄ has a low cost and a high deposition rate and is popular. In addition, 3C SiC has become a very promising functional material due to its many excellent properties.

Key Words：3C-SiC; CVD; N-Al co-doping; p-type semiconductor

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 SiC的概述 1

1.2.1 SiC的发展历史 1

1.2.2 SiC的晶体结构与性能 2

1.2.3 SiC的多形体的生成温度范围 3

1.2.4 SiC的应用 3

1.3激光CVD法制备SiC薄膜 3

1.3.1激光的应用 3

1.3.2激光CVD的基本原理 3

1.3.3激光CVD的优点 4

1.4 SiC薄膜的掺杂 4

1.4.1 p型SiC半导体 4

1.4.2 n型SiC半导体 4

1.5研究思路和技术路线 4

第二章 Al掺杂的3C-SiC 薄膜制备 5

2.1实验的原料 5

2.1.1前驱体、反应物和基板 5

2.1.2掺杂剂 5

2.2 实验设备 5

2.2.1 激光器的选择 5

2.2.1 卤化物激光 CVD 法的相关设备 6

2.2 3C-SiC薄膜沉积工艺流程及技术路线 7

第三章 3C-SiC的结构表征与性能评价 8

3.1材料的表征 8

3.1.1 X射线衍射分析 8

3.1.2拉曼光谱分析 9

3.1.3显微结构分析 11

3.1.4沉积速率的测量 14

3.1.5电阻率的测量 15

3.1.6 XPS光谱分析 16

3.2实验结论 17

第四章 总结与展望 19

4.1总结 19

4.2展望 19

参考文献 20

致谢 22

第1章 绪论

1.1引言

碳化硅半导体是新一代宽禁带半导体,近年来表现出了很强的发展势头^[1、2]。碳化硅基的电子器件能耗比普通的硅基材料低。另外，碳化硅可在较高的温度下长期稳定地工作，大量缩减冷却负担，实现设备的小型化^[3、4]。总体上来看，SiC既可以用作高温结构材料，也可以应用于电子器件领域。

从调研的文献来看，SiC的制备方法有很多，不同的制备方法也各自都有特点，常见的SiC制备方法有高温热压或者等离子体烧结法、化学气相沉积法（CVD）法以及溶液法^[3、5、6]。高温热压法或者等离子体烧结法主要是用来制备SiC块体材料^[5]，由于硅和碳之间存在强的共价键，会存在孔隙从而降低SiC的强度，往往需要加入烧结助剂形成致密的SiC。烧结助剂一方面增加了SiC的强度和致密程度，另一方面也因为烧结助剂的存在引入了杂质。溶液法主要是用来生长大块4H-SiC晶体，采用顶晶溶液生长技术生长，在2000℃的条件下，N型轴上4H-SiC（0001）晶粒被浸入到Si-Cr-Al基溶液中，溶液中铝含量在0～20at%之间，将溶液中的温度梯度调整到30-42℃/cm。此方法可以获得比商用硅片低两个数量级的极低电阻率的半导体^[3]。与前两种方法不同的是，化学气相沉积法（CVD）常被用于制备 SiC 薄膜，通过气体原料在基板表面发生化学反应而沉积薄膜的方法^[6]。该方法可以在不会引入杂质前提下获得致密的、纯净的SiC薄膜。传统的CVD法沉积 SiC 薄膜的速率普遍较低。本文基于将激光应用于 CVD 中开发出激光化学气相沉积技术（LCVD），利用激光技术的优点，达到快速制备SiC薄膜的目的。

1.2 SiC的概述

1.2.1 SiC的发展历史

碳化硅虽然于19世纪末就在实验中被制备出来，但是碳化硅在电子领域的应用直到20世纪末才开始逐渐发展起来^[7]。这段时间里SiC一直利用其硬度大和耐磨的特性来当作一种磨料。直到20 世纪 90 年代，用于电力电子的碳化硅器件的好处逐渐被人们所了解，并且在材料和器件方面26年的持续发展，不同制备方法制备的SiC有着不同的应用领域，例如通过烧结制备的SiC陶瓷更多的应用在结构材料中，而通过溶液法或者真空镀膜技术制备的SiC更多的应用在功能材料中，然而单一的SiC无论是是作为结构材料还是功能材料其应用都达到了一个临界点。我们需要将SiC和其他材料结合起来获得一种具有更加优异性能的材料，而本文研究的Al掺杂的SiC薄膜无疑也是一种可以考虑的研究方向。

1.2.2 SiC的晶体结构与性能

SiC的结构很简单，每个Si原子或C原子与相异的原子通过sp³杂化形成四面体结构。SiC的每层堆垛顺序可以不同，所以SiC存在着200余种多型体。图1-1为SiC的原子四面体结构和四种SiC多型体的原子层的堆垛顺序。在SiC的 250余种多型体中，最主要的还是立方晶系和六角晶系。本文研究的3C-SiC为立方晶系。其它的SiC多形体的六方晶系程度都介于0到100%之间^[8、9]。

图1-1 SiC 的原子四面体结构和四种SiC多型体的原子层的堆垛顺序^[10]

3C-SiC与Si相比，电学性能更加优越，虽然3C-SiC的电学性能各方面的具体数值受具体实验的影响，但是通过调研文献 ^[10、11]可以清楚的看到，3C-SiC的带隙宽度是Si的两倍以上，3C-SiC的临界击穿电场强度约为Si的十倍，热导率也是Si的两倍以上，3C-SiC无疑是一种具有应用前景的半导体材料。

除了有优良的电学性能之外，SiC也具有其他良好的物理性能。SiC的维氏硬度可达22.2±2.2GPa ^[12]。

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