بخشی از مقاله
چکیده
ساختار بلوری نیمرسانای سیلیکون کارباید انواع ساختار بلوری متفاوتی متناسب با شرایط تهیه، دارد. با تغییر یکی از پارامترهای لایه نشانی در روش رسوب بخار شیمیایی با سیم داغ، با افزایش فشار محفظه گازهای واکنش ساختار بلورین لایه های نازک سیلیکون کارباید دستخوش تغییراتی میشود که با تغییراتی در ضریب شکست و گاف انرژی همراه است. روند این تغییرات همگام با تغییرات ساختاری ایجاد شده در لایه های نازک سیلیکون کارباید قابل توجیه است.
مقدمه
لایه های نازک SiC دارای خواص منحصر بفرد زیادی میباشد از جمله آنها خواص مکانیکی بالا، قابلیت تحمل و انتقال بالای حرارت، مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون، خواص اپتوالکتریکی که پتانسیل استفاده در سلول خورشیدی را میدهد، دیود گسیل نور آبی و MEMS و خواص الکترونیکی میباشد. سختی بالا و مقاومت خوب این نیمرسانا باعث جلب توجه در کاربرد این ماده در کامپوزیتهای سرامیکی میشود.[6-1] همچنین به دلیل خاصیت نیمرسانایی عالی و ویژگیهای دی الکتریک نسبتا پایدار دردماهای بالا باعث شده است SiC کاربردهای عملی و بالقوه بسیاری را دارا باشد
از بین روشهای ساخت لایه نازک این ماده همچونCVD به کمک نور[11]،[12] PECVD ، [13] ESRCVD، روش HWCVD دارای مزایایی همچون ارزان و ساده بودن، بهبود در نرخ رسوب، امکان رسوب دهی در دمای پایین بوده و 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.
در این کار لایههای نازک SiC تهیه شده به روش HWCVD تهیه شده در فشارهای متفاوت محفظه مورد بررسی قرار گرفته اند و ویژگی های اپتیکی و ساختاری مطالعه شد. مشاهده میکنیم که میتوان با تغییر فشار محفظه واکنش ساختار و در نتیجه خواص لایه نازک را به خوبی کنترل نمود.
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 و در محفظه خلا استفاده گردید. این فیلامان ابتدا تحت جریان گاز هیدروژن تمیز میشود. زیر لایه و فیلامان در دماهای به ترتیب 300œC و 1900œC ثابت نگهداشته شد. برای کل نمونه ها نسبت گاز سیلان به گاز متان به نسبت1:20 ثابت ولی در فشارهای محفظه مختلف لایه نشانی صورت گرفت که با VP نام گذاری شد. ضخامت هر لایه نازک توسط پروفایلومتر مکانیکی KLA-TENCOR اندازه گیری شد.طیف تبدیل فوریه فروسرخ در طیف عبوری در cm-1 4000 نیز توسط دستگاه طیف سنج Perkin-Elmer System 2000 انداره گیری شد.جزییات بیشتر مربوط به روش آزمایش قبلا گزارش شده است.[15]
جدول:1 پارامترهای آزمایش مربوط به تهیه لایه نازک SiC
بحث و نتیجه
در این مقاله ضریب شکست از روش مانی فشیر با مشخص کردن طول موجهای مربوط به هریک از نقشهای تداخلی در طیف عبوری نوری UV-Vis-NIR که در شکل 1 نشان داده شده است، محاسبه گردید.[16] در این طیف ها، با افزایش فشار جزیی گازها از 12 تا 38 پاسکال لبه جذب به سمت طول موج های بلندتر جابجا شده است. دیده میشود در فشار جزیی 12 پاسکال کمترین طول موج برای لبه جذب در نمونهها وجود دارد.
این جابجایی در لبه جذب نشان میدهد که انرژی گاف تغییر یافته است. در نمونه های موجود، با افزایش فشار محفظه واکنش و نیز افزایش واکنشهای فاز گازی، گرچه با نسبت ثابت نرخ ورود گازهای واکنش روبرو هستیم. از طرفی در فشارهای بالا، به دلیل واکنش پذیری بیشتر گاز سیلان به متان، شاهد حضور فاز نانو کریستال Si لایه نازک SiC، همزمان با تخلخلات ساختاری هستیم که موجب ایجاد تغییراتی در ضرایب اپتیکی از جمله ضریب شکست، میشود. تعداد قلهها و درههای مربوط به طرح تداخلی عبوری UV-Vis-NIR در مجموعه VP بیشتر شده اند.
در روش مانی فشیر از این نمودار ها طول موج های کمینه و بیشینه مربوط به هرنقش پراش مشخص میگردند که در این مقاله برای مقایسه بهتر، از ضریب شکست در طول موج بلند استفاده شده است.
برای محاسبه انرژی گاف از روش تاک استفاده شده است.
برای تخمین زدن مقدارعددی انرژی گاف به روش تاک میبایست پس از یافتن ضریب جذب ، نمودار برحسب انرژی فوتون ترسیم گردد و سپس با برون یابی نمودار از روش تاک، به انرژی گاف رسید.
شکل1 الگوی عبور دهی UV-Vis-NIR لایههای نازک SiC تهیه شده تحت فشارهای جزئی مختلف کل گاز VP
در شکل 2 الف و ب، به ترتیب طیفهای XRD و FTIR
مربوط به نمونه های لایه نشانی شده دیده میشوند. در این طیفها واضح دیده میشود که با تغییر فشار 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. در نمونههای VP، ساختار لایهها در فشارهای گاز بالا و زمان سکونت بیشتر رادیکالهای پر انرژی SiH4، باعث رشد بلور Si بر بستر میشود. با توجه به طیف FTIR در فشارهای گاز پایین 12 - تا 27 پاسکال - ساختار لایه به صورت ترکیبی از فازهای آمورف SiC و نانوبلور SiC میباشد که غلظت کربن و اکسیژن در این شرایط قابل توجه است و باعث افزایش مقادیر ضریب شکست میگردد. درحالی که در فشارهای گاز بالاتر - تا 38 پاسکال - ساختار نمونهها فقط به صورت ترکیبی از پیوندهای Si-C، Si-Oو C-H وH-Si میباشد. همچنین با تجه به نتایج XRD، میتوان نتیجه گرفت پیوند Si-C در نمونهها کاهش یافته و در عوض شاهد فاز نانو کریستال سیلیکون - - nc-Si هستیم که باعث افت ضریب شکست میشود. با توجه به این تغییرات ساختاری و ترکیب شیمیایی، خواص اپتیکی لایههای نازک SiC نیز دستخوش تغییراتی میشود که از جمله این خواص، گاف انرژی و ضریب شکست میباشند.
شکل:1 - الف - طیف XRD و - ب - طیف FTIR در فشارهای مختلف لایه نازک SiC
در شکل 3 الف تغییرات ضریب شکست و در شکل 3 ب تغییرات
انرژی گاف لایه های نازک SiC در فشارهای مختلف محفظه نشان داده شده است. در این تغییرات ساختاری، ضریب شکست با افزایش فشار محفظه واکنش از 12 تا 27 پاسکال همگام با تغییر فاز از نانو کریستال SiC به آمورف SiC، به دلیل افزایش فاز آمورف سیلیکون کارباید، شاهد افزایش ضریب شکست و کاهش انرژی گاف هستیم. با افزایش بیشتر فشار محفظه تا 38 پاسکال، پیک مربوط به پیوند Si-C کاهش یافته و از سوی دیگر پیک های دیگر Si افزایش یافته که ننشان میدهد شکل گیری لایه های نازک SiC با ترکیب بالای Si داریم. این تغییرات در ضریب شکست بطور کاهشی و برای انرژی گاف به صورت نسبتا افزایشی است.
