بخشی از مقاله
چکیده
خواص الکتریکی و اپتوالکترونیکی نیمرسانای سیلیکون کرباید در کاربردهای مختلف اهمیت ویژه ای دارد. با تغییر یکی از پارامترهای لایه نشانی در روش رسوب بخار شیمیایی با سیم داغ، با افزایش فشار جزیی گازهای ورودی در فشار محفظه ثابت، ضرایب دی الکتریک موهومی و حقیقی، همگام با کاهش ضریب شکست و ضریب خاموشی، کاهش یافتند. روند این کاهش با تغییرات ساختاری ایجاد شده در لایه های نازک سیلیکون کرباید قابل توجیه است.
مقدمه
لایه نازک SiC دارای خواص منحصر بفردی می باشد که می توان از جمله آنها به خواص مکانیکی، قابلیت تحمل و انتقال بالای حرارت، مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون، خواص اپتوالکتریکی که پتانسیل استفاده در سلول خورشیدی، دیود گسیل نور آبی و MEMS را می دهد و خواص الکترونیکی نام برد. سختی بالا و مقاومت خوب این نیمرسانا باعث جلب توجه در کاربرد این ماده در کامپوزیتهای سرامیکی میشود.[6-1] بعلاوه به دلیل خاصیت نیمرسانایی عالی و ویژگیهای دی الکتریک نسبتا پایدار دردماهای بالا باعث SiC کاربدهای عملی و بالقوه بسیاری را به خود اختصاص میدهد.
در روش های ساخت لایه نازک این ماده، روش HWCVD دارای مزایایی همچون ارزان و ساده بودن، بهبود در نرخ رسوب، امکان رسوب دهی در دمای پایین است. لایه های نازک تهیه شده به روش HWCVD عمدتا چند فازی شامل فاز های نانو کریستال، کریستال و آمورف هستند. بنابراین اثرات اپتیکی مربوط به فاز آمورف در ویژگی های لایه نقش مهمی ایفا می کند.[11] در این تحقیق با توجه به تغییرات ساختاری و تغییر در خواص اپتیکی به بررسی اثرات دی الکتریک بررسی شده است. دیده میشود ماتریس ساختار به خوبی میتواند این اثرات را توجیه کند.
روشهای تجربی
در فرآیند ساخت و تهیه این لایه ها از یک سیم تنگستن سیم پیچ شده به قطر 0.5mm به طول 20mmدر فاصله 26mm از زیر لایه، در دمای 2000œC در محفظه خلا استفاده میشود که قبلا تحت جریان گاز هیدروژن تمیز میشود. زیر لایه و سیم در دماهای به ترتیب 300œC و 1900œC ثابت نگهداشته شد. برای این نمونه ها نسبت گاز سیلان به گاز متان به نسبت1:20 ثابت و فشار محفظه در80Pa ثابت نگه داشته شد. نمونه های تهیه شده درنسبت.های مختلف انجام و FP نام گذاری شد.ضخامت فیلم توسط پروفایلومتر مکانیکی KLA-TENCOR اندازه گیری شد.
طیف تبدیل فوریه فروسرخ در طیف عبوری در -400 cm-1 4000 نیز توسط دستگاه طیف سنج Perkin-Elmer System 2000 انداره گیری شد.جزییات بیشتر مربوط به روش آزمایش در مقاله ی قبلی آمده است.
جدول:1 پارامترهای آزمایش مربوط به تهیه لایه نازک SiC
روشهای نظری
در این مقاله برای محاسبه ضریب شکست از روش مانی فشیر و با استفاده از طیف عبور UV-Vis-NIR محاسبه شده است.[13] برای سهولت در محاسبه ضرایب دی الکتریک مختلط، به تفکیک در دو بخش موهومی و حقیقی بررسی شده است. در روند محاسبه ضریب دی الکتریک در ابندا میبایست ضریب جذب را محاسبه کنیم. محاسبه ضریب جذب به سهولت توسط رابطه - 1 - که در مقاله مانی فیشر توضیح داده شده است، صورت میپذیرد.
که در آن k ضریب خاموشی لایه است و از طریق رابطه 2 محاسبه میشود:
سپس از طریق روابط - 3 - و - 4 - به ترتیب به ضرایب دی الکتریک موهومی و مختلط دسترسی پیدا میکنیم:
لایه های حاوی سیلیکون همگام با تغییر پارامترهای لایه نشانی در روشهای CVD سیر تغییرات محسوسی در ضرایب دی الکتریک نشان میدهند .
بحث و نتیجه
در شکل 1الف و ب، طیف XRD و FTIR مربوط به نمونه های لایه نشانی شده دیده میشود. در این طیف واضح است که با تغییر قشار از 12 تا 27 پاسکال، ساختار لایه ها از نانوکریستال به آمورف تغییر پیدا میکند و در نتیجه درصد کربن و تخلخلات ساختاری تغییر میکند. روند این تغییر در ضریب شکست واضح است. لازم به ذکر است که ضریب شکست و ضریب خاموشی در 2500nm محاسبه شده اند.
شکل:1 - الف - طیف XRD و - ب - طیف FTIR در فشارهای مختلف لایه نازک SiC
با توجه به تغییرات ایجاد شده در ساختار لایهها، با تعیین ضریب شکست و سپس ضریب خاموشی، توسط روابط - 1 - تا - 4 - ، به مقادیر ضرایب مختلط دی الکتریک، ضریب شکست و ضریب خاموشی محاسبه شدند. این مقادیر در جدول 2، برای نمونه ها آورده شده اند.
جدول:2 محاسبه پارامترهای دی الکتریک مربوط به لایه نازک SiC
لازم به ذکر است که این محاسبات در طول موج nm 2500میباشند. در این طول موج مقدار ضریب شکست به مقدار اشباع میرسد و نیز رفتارهای اپتیکی به یکنواختی میگرایند. سیر تغییرات ضرایب دی الکتریک در شکل - 1 - آمده است.
شکل: 2 تغییرات ضریب دی الکتریک موهومی و حقیقی لایه های نازک SiC بر حسب فشار جزیی گازهای ورودی
همانطور که در شکل - 2 - دیده میشود با افزایش فشار جزئی گازهای ورودی، از 12 تا 38 پاسکال، به دنبال تغییرات ساختاری و میل کردن ساختار لایه ها از نانوکریستال به آمورف، ضریب دی الکتریک درحال کاهش است. ضریب دی الکتریک به دست آمده مطابق با کارهای گزارش شده، برای نمونه های خالص SiC و نمونه هایی که حاوی کربن کمتری هستند، بسیار پایین تر از نمونه هایی است که پوشش گرافیتی دارند و یا غنی از کربن هستند,15] .[16 این امر در ضریب شکست و ضریب خاموشی نیز قابل مشاهده میباشد. در شکل - 3 - تغییرات ضریب شکست نسبت به فشار آمده است.
شکل: 3 تغییرات ضریب شکست لایه های نازک SiC بر حسب فشار جزیی گازهای ورودی
شکل: 4 تغییرات ضریب خاموشی لایه های نازک SiC بر حسب فشار جزیی گازهای ورودی
تغییرات ضریب خاموشی لایه نازک در شکل - 4 - دیده میشود. همانطور که انتطار میرود تغییرات ضریب شکست و ضریب خاموشی مشتقیما اثر خود را در تغییرات ضرایب دی الکتریک نمایان میسازند. این امر در روابط - 3 - و - 4 - نیز محسوس است.
نتیجه گیری
با افزایش فشار جزیی گازهای ورودی سیلان و متان در لایه نشانی به روش HWCVD ، تغییرات ساختاری با تغییر از شکل گیری
