激光化学气相沉积法制备<111>-3C-SiC薄膜

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3C-SiC因具有高耐热性(升华温度3000 K)、高硬度(莫氏硬度9.5级,仅次于金刚石)、高电子迁移率(1000 cm-2(V·s)-1)、高饱和电子漂移速率(2.7×107cm· s-1)等优良性能而被广泛应用。<111>-3C-SiC薄膜主要应用于耐高温、耐腐蚀涂层与高温高压高频半导体器件。此外,<111>-3C-SiC薄膜还是如石墨烯、AlN等半导体材料的优良衬底。目前,3C-SiC薄膜制备技术存在以下不足:薄膜生长速度慢、制备环境安全性低、制备成本高。  本研究将连续大功率、超高斯分布的大口径激光引入到传统的化学气相沉积技术中,形成激光化学气相沉积技术(LCVD),以安全环保的六甲基二硅烷(HMDS)为前驱体,高速沉积<111>-3C-SiC薄膜。以θ-2θ模式 X-射线衍射(XRD)研究薄膜的物相与面外取向;以极图测试分析薄膜的面内取向以及与基板的匹配关系;以扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜表面和断面形貌并计算生长速度;以透射电子显微镜(TEM)分析薄膜中的晶体缺陷;以背散射电子衍射(EBSD)分析薄膜表面单相畴面积和晶界形态。  在沉积温度1330~1420 K,沉积压强200~400 Pa沉积条件下,可沉积单一取向多晶<111>-3C-SiC薄膜。沉积温度为1420 K,沉积压强为200 Pa时,<111>-3C-SiC薄膜的生长速度达到最大值,为200μm/h,是传统化学气相沉积法的10~103倍。当沉积温度由1330 K升至1605 K,沉积压强由200 Pa升至600 Pa时,薄膜由<111>取向转变为随机取向,后转变为<110>取向。  EBSD测试结果显示,随沉积压强的升高,多晶<111>-3C-SiC薄膜中晶界多为小角度晶界,且单相畴面积增大。SEM与 TEM分析表明,<111>-3C-SiC薄膜表面呈现两种微观形貌:金字塔形貌和针状形貌。借助晶粒表面形貌理论、晶粒竞争生长理论和面缺陷的“自消亡”理论,分析了两种形貌<111>-3C-SiC薄膜生长机理和表面形貌形成机理。  沉积压力200~1000 Pa,沉积温度1273~1573 K时,在Si(111)基板上获得<111>-3C-SiC外延薄膜。沉积温度为1273 K,沉积压强200~600 Pa时,所沉积外延薄膜不含双向畴(DPB)缺陷。借助二维晶核形成理论,分析了外延薄膜中DPB的产生和消除机制。
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