的拉曼光谱研究 - 原子核物理评论

文章编号:1007-4627(2011)02-0209-06

K r离子注入S i C的拉曼光谱研究*

徐超亮1,2,张崇宏1,李炳生1,张丽卿1,杨义涛1,2,韩录会1,2,贾秀军1,2

(1中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;

2中国科学院研究生院,北京100049)

摘 要:应用拉曼光谱研究了5M e V K r离子(注量分别为5×1013,2×1014,1×1015i o n s/c m2)室温注入6H-S i C单晶及其高温退火处理后结构的变化㊂研究表明,注入样品的拉曼光谱中不仅出现了S i C振动的散射峰,还产生了同核S i S i键和C C键散射峰㊂S i C散射峰强度随退火温度升高而增强,当退火温度高达1000℃时,已接近未辐照S i C的散射峰强度㊂晶体S i S i键散射峰强度随退火温度变化不大,而非晶S i S i键散射峰强度随退火温度的增加逐渐消失㊂相对拉曼强度(R e l a t i v eR a m a n I n t e n s i t y,简称R R I)随注量的增加逐渐减小并趋于饱和,且不同退火温度样品的饱和注量不相同;R R I随退火温度的增加逐渐升高,这在低注量样品中表现得尤为明显㊂低㊁中㊁高3种注量样品的R R I随退火温度的增加从重合逐渐分离,并且退火温度越高,分离越大㊂关键词:6H-S i C;离子注入;拉曼光谱;相对拉曼强度

中图分类号:O433.4;O472+.3;O77+4 文献标识码:A

1 引言

S i C具有禁带宽度大㊁击穿电压高㊁热导率高㊁电子饱和漂移速度大和介电常数小等诸多特性,在高温㊁高频和大功率半导体器件领域得到广泛应用,被誉为有巨大前景的第三代半导体[1-2]㊂在S i C器件工艺中,由于杂质在S i C中的扩散系数很小,通过热扩散工艺掺杂需要极高的温度(甚至高达2000℃[3])㊂所以离子注入被认为是一种可行的掺杂工艺技术,但是离子注入将不可避免地在S i C 表面及其内部引入大量的缺陷,使其性能受到很大的影响㊂所以注入后需要高温退火,使受损的晶格得到一定程度的恢复㊂因此,对离子注入后产生的缺陷与注量和退火温度关联性的研究对S i C器件的制造与应用具有重要的现实意义㊂

另一方面,由于S i C优越的高温力学性能㊁高温化学惰性㊁低放射感生性和低中子俘获截面,使S i C非常适合于在先进核反应堆和核废料处理等高温强辐射的苛刻环境中使用[4-5]㊂在这种环境中,原子核衰变或核嬗变将不可避免地在S i C材料中引入重惰性气体原子㊂所以对重惰性气体离子导致的缺陷的研究将有助于解决S i C材料在实际辐照环境中性能和结构变化的问题㊂

前人的大量工作都是关于较轻惰性气体离子(主要是H e)注入S i C后的气泡形成㊁缺陷扩散和注入S i C的尺度效应等展开的[1-2,5],但是对重惰性气体离子注入S i C后的退火效应与缺陷演化方面却少有研究㊂相对于H e注入,重惰性气体离子注入将在材料中产生更多的原子离位损伤㊂所以,本文以重惰性气体离子K r辐照S i C实验为起点,研究辐照后在不同退火温度下拉曼光谱中相关振动峰与相对拉曼强度的变化以及由此反映出的缺陷演化规律㊂

拉曼光谱是一种无损检测方法,能够探测化学键及其应力变化㊂离子注入S i C后影响其S i C键散射峰的位置和强度,同时还会产生新的散射峰,因而可以通过分析拉曼散射峰的位置㊁强度㊁宽度和移动等参数分析S i C的晶型㊁损伤变化㊂

第28卷 第2期原子核物理评论V o l.28,N o.2 2011年6月N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w J u n e,2011

*收稿日期:2010-09-07;修改日期:2010-10-24

* 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10575124,10979063)

作者简介:徐超亮(1984-),男(汉族),内蒙古阿拉善盟人,硕士研究生,从事离子注入与材料改性研究;

E-m a i l:c h a o l i a n g x u@i m p c a s.a c.c n

2 实验过程

实验样品为研究级别的单晶6H -S i C (

由美国C R E E 公司生产),厚度为0.267mm ,n 型N 掺

杂,表面位于(0001)晶面㊂K r 离子(84K r

19+

)注入实验是在兰州重离子加速器国家实验室E C R 离子源320K V 高压平台上完成的㊂注入离子的能量为

5M e V ,离子束流强为3.7μA ,真空度优于8×10-4

P a ,室温注入,注量分别为5×1013

,2×1014

和

1×1015

i o n s /c m 2㊂用蒙特卡罗模拟程序S R I M 2006[6]

模拟,取S i C 的密度为3.21g /c m 3,C

和S i 的临界离位阈能分别为20和35e V [7-8]

,得到对应的离位损伤峰值分别为0.08,0.32和1.5d p a (d i s p l a c e m e n t p e r a t o m ),K r 原子百分浓度峰值分别为0.0011%,0.0043%和0.022%,最大损伤峰距表面1600n m ,离子浓度分布峰值距表面1800

n m ㊂图1给出了S R I M 2006给出的在S i C 中注入2×1014

i o n s /c m 2后K r 原子浓度与损伤随深度的分

布㊂注入后样品在真空中退火处理,将每种样品切

为4小块,其中3块在500,700,1000℃中退火,退火时间为60m i n ,真空度优于1×10-3

P a

㊂图1S R I M 2006模拟得到的S i C 中注入5M e V 2×10

14

i o n s /c m 2

后损伤与K r 原子浓度随深度的分布

拉曼散射分析是在中国科学院苏州纳米技术和纳米仿生研究所分析测试平台完成的,所用仪器为H R -800共聚焦拉曼光谱仪,实验配置为背向散射,激光功率为10mW ,激发波长为633n m ,光斑尺寸小于2μm ,光谱分辨率为0.65c m -1,测量范围为100 1800c m -1㊂

3 实验结果与分析

3.1 拉曼光谱各个峰随退火温度的变化

图2给出了未辐照S i C 和S i C 中注入2×10

14

i o n s /c m 2后的拉曼光谱图㊂6H -S i C 属于C 6v 对称的

纤锌矿结构,其拉曼振动模式为A 1(主轴振动)㊁E 1

和E 2(

二次简并振动)[9

]㊂表1给出了未辐照6H -S i C 中测得的拉曼散射峰及其对应的振动模式,各振动模式所对应的拉曼散射峰已在图2中标出㊂

表1 6H -S i C 中测得的拉曼散射峰及其对应的振动模式

拉曼散射峰/c m -1

振动模式

1492E 2,横向声学模(T A )266E 2,横向声学模(

T A )5052A 1,纵向声学模(L A )767E 2,横向光学模(T O )789E 1,横向光学模(T O )966

A 1,纵向光学模(

L O )从图2中可以看出,注入未退火样品的2E 2

(T A ),E 2(T A ),2A 1(L A )已经完全消失,E 1(T O )和E 2(T O )完全重叠,并和A 1(L O )一样,只呈现出一个较宽的拉曼带;而在200,260,540和600

c m -1处显现出4个新的峰(

根据前人的研究结果

,图2空白S i C 和室温下注量为2×1014i o n s /c m 2

的S i C 样品

退火后的拉曼光谱图

退火温度分别为:未退火(R T ),500,700和1000℃㊂

拉曼线移为200,260,540和600c m -1的散射峰分

别为晶体S i (T A )㊁非晶S i (L A+L O )㊁晶体S i

(T O )和无序S i C 的散射峰[1

0-13

]),这说明室温注㊃

012㊃原子核物理评论

第28卷