【摘 要】
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SiC作为第三代半导体,具有禁带宽、饱和电子漂移速率高、热导率高、物理化学稳定性好等优点,在高温、高频、高功率等半导体器件方面具有巨大的应用潜力。但是目前大面积制备SiC成本高昂,极大地限制了SiC的广泛应用。Si上异质外延制备3C-SiC薄膜是实现SiC大面积、低成本制备的有效途径。提高SiC外延薄膜的结晶质量、降低薄膜的缺陷含量对于后续制备高性能SiC器件十分重要。石墨烯/SiC结构具备高载流
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SiC作为第三代半导体,具有禁带宽、饱和电子漂移速率高、热导率高、物理化学稳定性好等优点,在高温、高频、高功率等半导体器件方面具有巨大的应用潜力。但是目前大面积制备SiC成本高昂,极大地限制了SiC的广泛应用。Si上异质外延制备3C-SiC薄膜是实现SiC大面积、低成本制备的有效途径。提高SiC外延薄膜的结晶质量、降低薄膜的缺陷含量对于后续制备高性能SiC器件十分重要。石墨烯/SiC结构具备高载流子迁移率和高导电率,同时兼容SiC半导体工艺,可用于制备场效应晶体管、光电探测器等。但目前SiC上生长的外延石墨烯的结晶质量、生长面积有待进一步提高,材料结构与电学性能之间的关系有待进一步解析。石墨烯/SiC结构因其优异的物理化学稳定性还可用于极端环境下,使其应用在双电层储能的电极材料时更有优势。但对于现有Si基双电层电容器储能而言,电极的电容和循环稳定性仍有待进一步提高。本文主要研究内容和结果有:使用六甲基乙硅烷作为前驱体,H2作为稀释气体,通过激光化学气相沉积在Si（001）上制备了外延3C-SiC膜。研究了H2流量、偏角度基板和倒金字塔形基板对3C-SiC薄膜中孪晶密度、反向畴晶界的影响。极图测试表明,薄膜中缺陷主要由相对于基板表面倾斜15.8°的{115}孪晶所组成,该孪晶来源于{111}孪晶的反演与堆叠。随着H2的流速从1.0 slm增加到3.0 slm,相对孪晶密度先由24.0降低至1.2,后增加到16.0。随着Si（001）基板偏角从0°增加到4°和8°,SiC薄膜电子回旋共振的g值（反向畴缺陷）先由2.00439降低至2.00434,后增加到2.00441。在边长为18μm的倒金字塔形Si基板上在生长约1μm的SiC薄膜后,薄膜内缺陷开始减少。在激光化学气相沉积SiC薄膜之后,原位生长了纳米晶碳膜（NCs）,研究了在3C-SiC上的NCs的光电响应特性。结果表明,在600 nm氙灯的照射下,光电流响应增益与样品方阻呈正相关,这是因为样品方阻与氧的吸附位点呈正相关,氧的吸附位点越多,光电流响应增益越大。在～26600Ω的方阻下,在3C-SiC上生长的NCs的光电流增加了127%。此外,本文使用Si升华法,采用高功率连续激光照射4H-SiC（0001）,制备了大面积（～10×5 mm~2）、高质量（D/G面积比:～0.03）的外延石墨烯。随着生长温度从1550°C升高到1780°C,石墨烯的层数从三层增加到十层,然后形成单位石墨层宽度约为20 nm的多孔石墨层薄膜。所制备石墨烯/SiC样品导电性高,方阻低至～0.43Ω/sq。在前期制备的SiC薄膜基础上,探究SiC薄膜在电化学电容方面的应用,合理设计并采用激光化学气相沉积制备了高结晶度的石墨烯/SiC/Si纳米线（G/SiC/Si NWs）结构,并与平板Si上生长的石墨烯/SiC（G/SiC/Si）以及Si NWs结构进行了比较。结果表明,G/SiC纳米基质钝化层完全覆盖了Si NWs的表面,该层由高度＜001＞取向的3C-SiC组成,石墨烯分布在薄膜和最外层中。与Si NWs和平面G/SiC/Si结构相比,G/SiC/Si NWs纳米基质表现出3.1Ω的低电荷转移电阻,在50 m V/s的循环伏安（CV）扫速下获得约3.2 m F/cm~2的高面积电容值,分别比Si NW和G/SiC/Si高近10倍和75倍。在100 m V/s扫速下经过10000次CV循环后,G/SiC/Si NWs纳米基质的电容增加了115%,显示出优秀的循环稳定性。该电极出色的电容表现得益于Si NWs大的比表面积、生长的G/SiC纳米基质增加了活性电荷存储位点并提高了材料的稳定性。
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