【摘 要】
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Ga N和SiC作为未来的革命性宽禁带半导体材料备受关注,而化合物半导体与Si的异质集成可以突破Si物理性能的极限,利用成熟的Si半导体工艺的同时,保留了化合物半导体杰出的材料特性。而Si基化合物半导体集成的挑战主要在于材料之间的晶格支配和热失配降低了外延化合物半导体薄膜的晶体质量。通过生长缓冲层的方式可以避免材料属性不兼容的问题。在Si上制备的缓冲层材料中,SiC因为较Si的高晶格匹配度和低热失
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Ga N和SiC作为未来的革命性宽禁带半导体材料备受关注,而化合物半导体与Si的异质集成可以突破Si物理性能的极限,利用成熟的Si半导体工艺的同时,保留了化合物半导体杰出的材料特性。而Si基化合物半导体集成的挑战主要在于材料之间的晶格支配和热失配降低了外延化合物半导体薄膜的晶体质量。通过生长缓冲层的方式可以避免材料属性不兼容的问题。在Si上制备的缓冲层材料中,SiC因为较Si的高晶格匹配度和低热失配表现出巨大的潜力,SiC-on-Si复合模板在自身可外延制备SiC功率器件和光电子器件的同时,用作生长Ga N的衬底时可以避免晶格匹配的问题。因此,研究SiC-on-Si复合衬底的集成具有重要意义。Si上异质外延生长SiC缓冲层的方法受到晶型和晶格失配的限制,为了制备绝缘体上硅（SOI）而诞生的晶体离子切片技术（CIS）可以完美地避免晶格失配的影响。基于此,本文对SiC-on-Si复合衬底的集成进行了研究。对材料的表面状态、键合工艺、SiC-on-Si的剥离制备制定了系统的实验方案。通过等离子活化以及优化活化键合参数提升SiC-on-Si的键合质量,利用优化后的参数对SiC-on-Si复合衬底进行剥离制备的研究。在相对较低的温度下实现了SiC-on-Si复合衬底的制备。主要的研究结果如下:SiC-on-Si复合衬底的键合工艺研究。采用等离子活化后高表面活性的样品进行键合,研究了不同等离子体处理不同时间后对SiC/Si O2/Si键合强度的影响,并优化了等离子体活化参数得到了更高的SiC/Si O2/Si键合强度,在O2活化90s时达到6.68MPa;采用X射线光电子能谱（XPS）对活化处理前后的SiC和Si O2/Si表面化学状态进行了分析,揭示了等离子体活化键合SiC-on-Si的机理,解释了SiC-on-Si键合对的键合强度出现差异的原因。SiC-on-Si复合结构的离子注入剥离制备研究。采用SRIM软件进行了离子注入SiC的仿真研究,在180ke V时得到约1μm的浓度深度,得出了1×1017H+/cm~2注入剂量下的离子浓度分布。H+注入SiC后的热处理起泡结果满足阿伦尼乌斯公式的描述,基于离子注入仿真和热处理起泡的结果,证实了无Si O2层的Si和SiC直接键合产生的气泡会对SiC-on-Si复合衬底中的SiC薄膜造成影响,降低薄膜的完整性;采用Si O2/Si衬底、在765°C下制备出了连续且完整的薄膜,分析了薄膜褶皱产生的原因,通过降低温度到740℃和720℃改善了薄膜宏观褶皱问题。通过对薄膜厚度的测试,得出了与仿真结果基本一致的值,剥离的SiC薄膜具有光滑平整的表面。通过对薄膜单晶性的测试证明了不同温度下剥离的薄膜均表现出较高的单晶质量,SiC-on-Si复合结构的TEM图像显示了SiC薄膜表面仅有几十纳米由离子注入剥离产生的损伤层,其它位置的原子呈单晶周期性排列。
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