Катодолюминесценция твердых растворов на основе (SiC)1-x(AlN)x

Как известно, основной причиной образования сильнодефектных переходных областей на границе пленка-подложка является пассивизация поверхности подложки графитом, поскольку диссоциативное разложение SiC

Катодолюминесценция твердых растворов на основе (SiC)1-x(AlN)x

Дипломная работа

Физика

Другие дипломы по предмету

Физика

Сдать работу со 100% гаранией

Введение

 

Успешное развитие твёрдотельной электроники определяется уровнем создания новых материалов, удовлетворяющих комплексу требований. Анализ современной зарубежной и отечественной патентной и периодической литературы показывает, что наиболее полно удовлетворяют требованиям твердотельной электроники такие классы тугоплавких соединений как бориды, карбиды, нитриды и силициды. Это объясняется, прежде всего, тем, что указанные соединения помимо необходимого комплекса свойств обладают повышенной устойчивостью к воздействию градиента температур, электрического потенциала, механических напряжений, агрессивных сред.

Определённую перспективу в этом плане имеют твёрдые растворы на основе карбида кремния. Это связано с тем, что твёрдые растворы на основе карбида кремния наследуют его уникальные свойства, в том числе и обусловленные существованием более 140 политипов. Специфика термомеханических, электрофизических, физико-химических свойств карбида кремния предопределила разнообразие областей применения материалов на основе этого соединения. Материалы на основе карбида кремния очень широко применяются в современной технике в качестве огнеупоров, активных элементов электронных и электротехнических устройств, конструкционных элементов химической и энергетической аппаратуры.

Особый интерес представляет система SiC-AlN который связан с тем, что в этой системе образуются непрерывный ряд варизонных твёрдых растворов во всём диапазоне изменения составов. Кроме того, создание непрерывных твёрдых растворов карбида кремния с нитридами алюминия и галлия представляет большой интерес в связи с возможностями получения прямозонного материала для полупроводниковых инжекционных лазеров.

В настоящее время следует с полным основанием считать: что механические, химические, физико-химические и другие свойства кристаллических тел определяются реальной структурой, которая в отличие от идеальной структуры характеризуется различного рода дефектами строения. Для изучения подобных структур необходим спектр исследований по определению различных свойств полупроводников. Общеизвестно, что оптические исследования являются важным инструментом для исследования структуры и совершенства кристаллов. В том числе изучение катодолюминесценции кристаллов позволяет оценить многие параметры материалов. В связи с этим перед нами была поставлена задача исследовать катодолюминесценцию твердых растворов и влияние технологических параметров процесса выращивания на оптические свойства твердых растворов (SiC)1-x (AlN)x.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

 

.1 Кристаллическая структура и полупроводниковые свойства карбида кремния и нитрида алюминия

кремний нитрид раствор полупроводниковый

SiC - единственное полупроводниковое соединение элементов четвертой группы периодической системы Д.И. Менделеева - кремния и углерода и имеющее строго стеохиметрический состав: 50% (ат) Si и 50% (ат) C.

Карбид кремния кристаллизуется в двух основных модификациях: кубической со структурой сфалерита(a-SiC) и гексагональной плотноупакованной (b-SiC).

Одной из интереснейших особенностей карбида кремния является то, что модификация a-SiC образует большое количество политипов, стабильных в широком интервале температур. Существуют различные системы условных обозначений применяемых при описании политипных структур. Наиболее наглядную и удобную систему символов разработал Рамсделл. Обозначения Рамсделла описывают политипы SiC числом слоев, содержащихся в элементарной ячейке. Буквы Y,R,C используются для указания типов решетки (гексагональной, ромбоэдрической, кубической соответственно). Перед буквой ставится число, равное числу двойных слоев атомов в элементарной ячейке. Так, символ nH обозначает гексагональную структуру с n -слойным периодом повторяемости вдоль оси С, а символ mP характеризует ромбоэдрическую структуру с m-слойным периодом повторяемости вдоль оси С.

Все политипные структуры SiC (а их более 150) построены по законам плотной шаровой упаковки и отличаются между собой порядком чередования двойных гексагональных слоев углерода и кремния. Каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, образованного из атомов кремния и наоборот, т.е. координационное число для всех политипов SiC равно четырем. Тройные оси этих тетраэдров параллельны между собой, а основания тетраэдров в соседних слоях могут быть параллельны или антипараллельны. Все без исключения политипы SiC могут быть описаны в гексагональных осях таким образом, что шестерная ось С будет перпендикулярна плоскости гексагональных слоев. Число двойных слоев необходимых для завершения элементарной ячейки, определяет ее параметр, который кратен величине, равной 2,51364 Ао и является расстоянием между соседними слоями упаковки.

Различие в энергетических характеристиках разных политипов невелико, что позволяет отнести политипные переходы к превращениям второго рода, при которых изменения в решетке происходит во второй и более далеких координационных сферах.

В системе AIIIN достаточно хорошо известно соединение AlN [1]. До недавнего времени считали, что нитрид алюминия может иметь лишь одну кристаллическую модификацию типа вюрцита, так как воздействием высоких статических и динамических давлений изменить его кристаллическую структуру не удалось. Однако при спекании порошков плазмохимического нитрида алюминия в условиях, обеспечивающих диффузию кислорода в решетку, образуется многослойный сфалеритный политип AlN со структурой 165 R. Этот вывод подтверждает данные Тейлора, Лэнни и Слэка, которые указали на возможность кристаллизации AlN в структуру цинковой обманки. Структура нитрида алюминия отличается от идеальной структуры вюрцита. В AlN отношение с /a = 1,600 вместо 1,633, а параметр с, определяющий расстояние Al-N вдоль тригональной оси, равен 0,375. Это означает, что центр электронной плотности в Al не совпадает с центром тетраэдра, образованного его ближайшими соседями, и при этом каждый атом смещен вдоль оси С к основанию тетраэдра на 0,005 нм. Вследствие смещения каждого атома возникает постоянный динамический момент в направлении оси С, углы между связами Al колеблются от 107,7 до 110,5 градусов, а расстояния изменяются от 0,1885 до 0,1917 нм.

Кристаллы AlN имеют форму шестигранных игл, призм. Цвет кристаллов нитрида алюминия зависит от примесей, входящих в его состав, и может быть серым, коричневым, голубым, молочно-голубым. Наиболее чистые кристаллы бесцветны. Кристаллы иногда приобретают различные оттенки голубого цвета, что является результатом присутствия в кристаллах оксикарбида алюминия (AlOC), который изоморфен с нитридом алюминия и может образовывать с ним твердые растворы. Интенсивность окраски Al возрастает с увеличением содержания оксикарбида алюминия.

 

1.2 Люминесцентные свойства SiC и твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x

 

Люминесценция - это спонтанное, избыточное над тепловым, излучение света с длительностью послесвечения большего периода световой волны.

Люминесценцию условно можно разделить на три стадии:

возбуждение или ионизация центров свечения;

пребывание центров свечения в возбужденном состоянии;

излучение света;

Возбуждение люминесценции может быть осуществлено различными способами. По способу возбуждения она может быть классифицирована следующим образом:

Фотолюминесценция (ФЛ) - возбуждение посредством квантов света;

Катодолюминесценция (КЛ) - электронное возбуждение;

Электролюминесценция (ЭЛ) - возбуждение электрическим полем; и т.д.

Стадия излучения может идти двумя путями:

как результат перехода ранее возбужденного центра свечения в основное состояние;

в результате осуществления процессов излучательной рекомбинации.

К основным характеристикам люминесценции относятся - спектры излучения, спектры возбуждения люминесценции, квантовый и энергетический выход свечения.

Спектр люминесценции - это спектральная зависимость интенсивности фотолюминесценции от длины волны или частоты излучаемого света при одной и той же энергии возбуждения. Отношение энергии полного потока люминесцентного излучения (ЕН) к количеству энергии, поглощенной в люминофоре (ЕП), называется энергетическим выходом (ЕВ) :

 

ЕВ = ЕН / ЕП

 

Отношение числа испускаемых квантов (NИ) к числу поглощенных (NП) называется квантовым выходом люминесценции (NВ).

В = NИ / NП

 

При исследовании люминесценции полупроводников обычно стремятся выяснить схему рекомбинационных переходов, приводящих к излучению квантов света, физико-химическую природу дефектов кристаллической решетки, на которую осуществляется излучательная рекомбинация. Эти дефекты над центрами свечения характеризуются такими параметрами как концентрация, поперечное сечение захвата электронов и дырок, энергия активации захваченных носителей. Физико-химическая природа центров свечения может быть с высокой степенью надежности установлена по средством исследования спектров люминесценции полупроводников, подвергнутых различным технологическим обработкам. При этом спектральный состав излучения будет определяться характером изменения концентрации дефектов в полупроводниках.

Для однозначного установления природы центров свечения полезно располагать исходными данными о технологических условиях выращивания или обработки исследуемых полупроводников. Указанные параметры могут быть использованы для расчета равновесной концентрации дефектов в образцах.

Возбуждение электронным пучком.

Подобно оптическому возбуждению, бомбардировка электронами позволяет изучать полупроводники, для которых технология изготовления контактов и р - n - переходов не достигла уровня, достаточного для проведения электролюминесцентных исследований. Более того, возбуждающие электроны имеют намного большую энергию, чем фотоны, и

Похожие работы

1 2 3 4 5 > >>