超硬材料网

　　作者：S. Kerdiles, A. Berthelot, F. Gourbilleau, R. Rizk
　　摘要：利用反应磁控溅射技术在纯氢等离子体中100~600℃衬底温度（Ts）下沉积出碳化硅薄膜。红外吸收光谱和投射电子显微镜观测表明在Ts低至300℃时出现结晶。晶化率随Ts增大，当Ts=600℃时晶化率达到60%。折射率n和室温下无照导电率σd（RT）随碳化硅层的结构演变呈较好的一致性。当Ts从100℃增至600℃时，n从1.9增至2.4，σd（RT）改善了6个数量级。
　　关键词：纳米晶碳化硅,低温沉积,磁控溅射
　　有研究已经证明在低温（T＜300℃）氢等离子体中可以制备氢化纳米晶硅（nc-Si:H），这种硅结构具有优良的电子和光学特性，和非晶副本α-Si:H相比，其导电率高、载流子迁移率有较好改善、有着不同的光吸收。利用准相同实验方法在较低温度下可以制备出碳化硅纳米晶化；进而制备出碳化硅和硅的氢化纳米晶层，最终实现nc-SiC:H/Si:H异质结构。基于这种异质结构的薄膜晶体管能够将宽带隙层nc-SiC:H并置至nc-Si:H并减少泄漏电流。此外，nc-SiC:H中相当可观的载流子迁移率能够使得电流足够的大。但目前nc-SiC:H（700℃）沉积工艺中的实际沉积温度要比nc-Si:H沉积温度高出许多；因此，nc-Si:H的结构和性能会受到nc-SiC:H沉积的影响。
       在接近硅沉积温度的参数条件下为研究碳化硅沉积过程中可能的结晶化，实验采用碳和硅的氢反应共溅射法在（100）硅衬底或石英衬底上制备一系列的薄膜。对碳溅射区进行优化以获得准化学计量碳化硅层。纯氢等离子体的能量密度和压力分别保持在3.1W/cm2和50mTorr，沉积温度在100℃~600℃之间变化。采用JEOL 200CX显微镜，通过TEM观察利用傅立叶转换Nicolet750-II光谱仪在400cm-1和4000cm-1之间收集红外吸收光谱，从而推断出生长在硅衬底上的碳化硅层结构。利用双束Perkin-Elmer分光光度计在200-2500nm光谱范围内进行光传输测量。最后在室温下利用硅衬底上碳化硅薄膜上的Al（2%Si）蒸发电极测量其无照导电率。对-50V~+50V电压之间的欧姆接触特性进行检测。

　　图一为标记了沉积温度值的碳化硅层上的红外光谱。在800cm-1处有显著吸收带，由900cm-1处和1000cm-1处的两条伴线左右相夹。800cm-1处的主光带是Si-C键合（Si-C）s的伸缩振动特征。在溅射薄膜实验中，可归因于不受Si-CH3振动模式影响的（Si-C）s模式。Si-CH3振动模式通常出现在利用化学气相沉积工艺制备出包含有硅烷和碳氢化合物碎片的试样中。900cm-1处和1000cm-1处的附加结构可能是由于Si-H2弯曲和C-H摇摆所致；特别是它们在2100cm-1处和2900cm-1处各自的伸展方式，如图1所示。

图1：带有衬底温度指示值的碳化硅层在500-1300cm-1区的红外吸收光谱；内嵌图为1900-3300cm-1区两个典型光谱 

　　 随着Ts由100℃增至600℃，（Si-C）s峰值被修改，峰值幅度呈系统性增长并伴随着峰值宽度的持续变窄。光带形状逐渐由明显的Ts=100℃时的纯高斯变为Ts=600℃时的洛伦兹线；洛伦兹线可以揭示最小键角变形和键长散布，并以此来表征晶体材料。对于Ts中间值（200-500℃），实验利用高斯和洛伦兹线混合来指示既包含非晶形又包含晶体的碳化硅相薄膜。为进一步研究这方面，在分别减去900cm-1处和1000cm-1处Si-H2和C-H振动模式的影响之后，对800cm-1处光带进行去卷积。图2为典型的红外光谱去卷积。（Si-C）s峰值中洛伦兹线的L区部分可以假定为和晶体相中Si-C键的数量成比例。利用该步骤最终推断出晶体尺寸fc，也即图三中作为沉积温度函数关系的L/（L+G）比率。

图2：550-1150cm-1区红外吸收光谱去卷积