硕士毕业论文纳米SiC薄膜的光电特性

密级：学校代码:10075分类号：学号：033713工学硕士学位论文纳米SiC薄膜的光电特性研究学位申请人：指导教师：学位类别：工学硕士学科专业：光学工程授予单位：河北大学答辩日期：二○○九年五月ClassifiedIndex：CODE:10075U.D.C.：NO:033713ADissertationfortheDegreeofM.EngineeringPhotoelectronicPropertiesofNanocrystallineSiCThinFilmsCandidate:Supervisor:AcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:OpticalEngineeringUniversity:HebeiUniversityDataofOralExamination:May,2009河北大学学位论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。作者签名：日期：年月日学位论文使用授权声明本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本学位论文属于1、保密□，在年月日解密后适用本授权声明。2、不保密□。（请在以上相应方格内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要I摘要本工作利用螺旋波等离子体化学气相沉积技术在高氢气条件下制备了具有紫外发光的六角晶型纳米碳化硅（nc-SiC），对这种材料进行了不同比例的磷掺杂，并对这种掺杂的纳米碳化硅的光学、电学特性以及nc-SiC/Si异质结的电学特性和光电压特性进行了研究。结合FTIR、Raman、TEM、AFM、XRD等结构表征技术对纳米碳化硅的微结构和磷掺杂的机理进行了研究，结果表明，所得到的纳米碳化硅薄膜为晶化度较高的n型6H-SiC，并且随掺杂比例增加薄膜的晶化度增加，磷掺杂的主要机理是替位掺杂；对薄膜的光吸收和光致发光研究表明，随着掺杂比例增加薄膜的带尾带吸收增强，并且薄膜的发光效率增加；对掺杂纳米碳化硅的电导率分析表明，1％掺杂比例下得到了10-2S·cm-1最佳电导率；掺杂的纳米碳化硅包含两种主要的导电机制，低温下呈费米能级附近缺陷局域态间的近程跳跃电导机制，而较高温度下呈热激发的扩展态电导机制；采用硅为p型材料制备了n-pnc-SiC/Si异质结二极管结构，二极管的最大整流比为350，理想因子为1.89；变温I-V特性分析结果表明，纳米SiC二极管的导电在较小偏压下为通过界面态的载流子复合导电，较大偏压下为扩散和发射电流导电。而负偏压下主要是通过界面态的多步隧穿导电过程。n-pnc-SiC/Si异质结的光电压特性分析表明，纳米SiC可作为硅基光电子器件的理想窗口材料，光电压主要来源于纳米碳化硅和硅的界面耗尽区空间电荷，界面电场呈现为光照和正向偏压下减弱、负偏压下增强的典型异质结光电二极管特性。界面电场中的电子-空穴对复合表现为两个主要过程：空间电荷区的电子-空穴对的直接快速复合和通过界面缺陷态的慢速复合，并且这两个复合过程可通过外加电场进行调节，正向电场可以抑制了电子-空穴对的直接复合，同时延缓通过界面态的慢速复合；负向偏压电场可以加快电子-空穴对的复合过程，并且发生直接的快速复合几率显著增加。关键词纳米碳化硅电导率整流光电压AbstractIIAbstractHexagonalnano-siliconcarbide(nano-SiC)thinfilmsdopedandundopedwithphosphoruswhichpossessacharacteristicoftheultravioletphotoluminescence(PL)havebeendepositedbyheliconwaveplasmaenhancedchemicalvapourdepositiontechniqueunderthehighhydrogenconditioninthiswork.Theopticalandelectricpropertiesofthedopednano-SiCfilmstogetherwiththeelectricandphotovoltagepropertiesofthen-pnc-SiC/Siheterojunctionisstudiedandanalyzed.Thestructurecharacteristicsofn-typenano-SiCandthedopingmechanismisinvestigatedbyFouriertransforminfraredspectroscopy,Ramanscattering,transmissionelectronmicroscope,atomicforcemicroscopyandX-rayDiffraction.TheresultsshowthatthecrystallinevolumefractionofthesefilmsisincreasedwithdopingproportionandthedopingmechanismisSiorCsubstitutedbyphosphorus.TheopticalabsorptionandPLanalysisshowthatwithincreasingthedopingproportion,thebandtailabsorptionandthePLintensityisenhanced.Theconductivityanalysisshowsthatthegreatestconductivityis10-2S·cm-1obtainedatthe1%dopingproportion.Ithasbeenevidencedthattherearetwodifferentconductionmechanismsinthen-typenano-SiCfilms:oneistheextendedstatesconductionwhichisdominatedatahighertemperature;theotheristhehoppingconductionthroughthelocalizedstatesneartheFermilevelunderalowertemperature.TheI-Vcharacterofn-pnc-SiC/Siheterojunctiondiodeisalsoinvestigated,weobtainthatthebestrectificationratioisabout350andtheidealityfactoris1.89,whichsuggestthattheforwardcurrentatlowvoltageisageneration–recombinationprocesseslikelyduetodefectsatthenc-SiC/Siinterface.ThisforwardcurrentcomesfromtheemissionanddiffuseprocessunderhighvoltagebutthereversecurrentisfromaMuti-steptunnelingprocessthroughtheinterfacestates.Theresearchonthephotovoltagecharacterofthisnc-SiC/SiheterojunctionindicatesthatSiCcanserveforthewindowlayerforSiliconbasedphotoelectricapparatus.Thephotovoltageismainlyfromtheinterfacespacechargeregion(SCR)anditisgreatlyAbstractIIIdependedontheintensityofthisinterfaceelectricfield.Theinterfaceelectricfieldisimprovedunderareversebiasandbecomesweakerunderforwardbiasorundertheillumination.Therearemainlytwodifferentrecombinationmechanismsoftheelectron-holepairsinthisp-njunction:OneisthedirectrecombinationintheSCR,anotheristherecombinationthroughinterfacestates.UnderaforwardelectricfieldthedirectrecombinationinthisSCRisrestrainedandtherecombinationratethroughtheinterfacestatesbecomesslowbutthereverseelectricfieldcanincreasebothrecombinationrateandincreasetheprobabilityofthedirectrecombinationintheSCR.KeywordsNano-siliconcarbide;Conductivity;Rectification;Photovoltage目录IV目录第1章绪论…………………………………………………………………………11.1研究目的和意义………………………………………………………………………11.2SiC材料的结构和性质…………………………………………………………31.3低维SiC材料合成以及其光学和电学特性的研究进展……………………………51.3.1纳米碳化硅薄膜的制备进展…………………………………………………51.3.2纳米碳化硅薄膜的发光研究进展……………………………………………61.3.3纳米碳化硅薄膜的电学特性和光电器件研究进展…………………………71.4当前主要存在问题和本文主要工作…………………………………………………8第2章实验原理及技术………………………………………………………………102.1样品的制备…………………………………………………………………………102.2薄膜的形貌和结构分析技术………………………………………………………102.2.1傅里叶变换红外吸收谱（FTIR）……………………………………………102.2.2X射线的衍射分析（XRD）…………………………………………………112.2.3原子力显微镜（AFM）………………………………………………………112.2.4扫描电子显微镜（SEM）……………………………………………………122.3薄膜的光学特性表征技术……………………………………………………………122.3.1紫外－可见光透射谱(UV-VISTransmission)……………………………122.3.2光致发光谱(PL)和荧光激发谱（PLE）……………………………………132.4薄膜的电学、光电特性表征技术……………………………………………………132.4.1薄膜电阻率和异质结的I-V特性的测量…………………………………132.4.2异质结的表面光电压测量…………………………………………………15第3章纳米碳化硅薄膜的制备及紫外发光特性…………………………………………183.1不同氢气条件下纳米碳化硅薄膜的结构特性………………………………