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作为第三代半导体材料,碳化硅(SiC)具有带隙宽、电子饱和速度大、击穿电场强度和热导率高等特性;而一维纳米结构的SiC纳米线,具有了更多特性,比如说高的硬度,良好的柔韧性,很好的断裂韧度,以及逆转的霍尔效应。此外,碳化硅纳米线(SiCNWs)还具有非常高的场电子发射系数和光发射系数,因此,SiCNWs在高温,高能,高频率和严酷环境下的纳米电子器件上的具有潜在的应用。SiCNWs可以用热蒸发法,激光烧蚀法,化学气相沉积法以及磁控溅射等多种方式制备,其中,等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)由于其多参数调控、高活性及非平衡等特征,备受瞩目。
本论文开展了等离子体化学气相沉积(PECVD)SiCNWs的实验研究。利用多种方法(直流,射频交流)、多种放电位型来形成等离子体,进行了等离子体条件下,纳米线生长、结构及其方向调控的实验研究。
在直流偏压等离子体辅助热丝化学气相沉积的装置上,利用HMDSO/H2作为源材料、镀有金膜的硅片作衬底来沉积SiCNWs。六甲基氧二硅烷(HMDSO)具有含有碳,硅,氧三种元素,相比其它含硅气体等如硅烷具有更好的安全性,常常被用作合成氧化硅。我们在450℃的衬底温度条件下,利用直流偏压等离子体辅助沉积得到具有SiC-SiOx核壳(Core-Shell)结构的纳米线,SiC内核晶形为3C,SiOx外鞘为非晶成分。而在没有等离子体辅助时,则形成了锥,椭球状等碳硅结构。此外,研究了催化剂薄膜厚度以及退火时间等方法对SiCNWs的生长的影响。等离子体化学活性对核壳(Core-Shell)结构的纳米线形成起了重要作用。
在电容耦合放电等离子体辅助化学气相沉积装置上,利用400kHz射频激发等离子体,在HMDSO/H2的比例为5%,生长温度为650℃的条件下成功生长了SiCNWs。利用等离子体射流的方向改变,成功得到了与硅片表面垂直和水平的具有方向性的纳米线。
在大气压条件下,利用电容耦合放电,设计了可以长时间稳定工作,并且具有简单结构的大气压射流等离子体产生装置,利用光致电离的原理解释了射流等离子体的工作机理,并进行了简单验证,为大气压下开展沉积SiCNWs实验打下了基础。