B.G. Atabaev | M.V. Dolgopolov | Kh.N. Juraev | A.S. Chipura | V.I. Chepurnov | R. Jalolov | O. Turgunov | S.A. Radzhapov | Z.Sh. Shaymardanov | Sh.Z. Urolov
乌兹别克斯坦科学院U.A. Arifov离子等离子体与激光技术研究所纳米结构材料光电子过程实验室，塔什干，乌兹别克斯坦
**摘要**
我们对手性外延方式（endotaxial regime）下，通过高温化学气相沉积（HT-CVD）在1340–1360°C条件下生长的n型3C-SiC/Si(100)异质结构的光致发光（PL）和电子输运特性进行了全面研究。样品KEF-32的光致发光光谱被分解为四个高斯成分，分别位于385、433、511和563纳米处，这些成分分别与应变3C-SiC中的近带边（NBE）复合、施主-受主对（DAP）跃迁以及堆垛故障（SFs）和关联杂质-缺陷复合物处的复合现象相关。样品KEF-32-5是在石墨容器上层生长的，其光致发光光谱局限于383–464纳米范围内，缺乏2.2 eV处的明显深能级带，这表明与堆垛故障相关的中心的作用发生了变化，并且复合过程发生了重新分布，远离了载流子传输区域。
在不同碳氢化合物过饱和度（32-2和32-5）下生长的样品进行的霍尔效应测量结果显示，电子浓度分别为8.5×10^16和2.4×10^16 cm^-3，迁移率分别为461和1120 cm^2/Vs，电阻率约为0.2 Ω cm。样品32-5接近声子限制的迁移率区域，而样品32-2则主要受到电离杂质及相关缺陷散射的影响。本文讨论了堆垛故障和关联杂质-缺陷复合物在塑造光致发光光谱和散射机制中的作用。结合测量参数和有效陷阱密度进行的一维TCAD模拟表明，样品32-5中降低的掺杂量和优化的缺陷分布导致耗尽区域更宽，泄漏电流更低，从而证实了其作为器件的潜力得到改善。这些结果为3C-SiC/Si(100)在功率电子学和量子应用中的HT-CVD生长提供了定量指导。
**引言**
立方碳化硅（3C-SiC）由于其宽禁带、高电子迁移率和优异的热稳定性，成为高功率电子学和量子技术中的有前景材料。尽管其间接带隙限制了体块内辐射复合的效率[1]，但3C-SiC仍展现出丰富的与缺陷相关的光致发光（PL）特性，使其成为量子中心和缺陷工程发光体的理想选择。在Si(100)衬底上的异质外延生长为与主流Si技术的集成提供了经济可行的途径；然而，较大的晶格失配和热膨胀系数差异导致了大量的位错、堆垛故障（SFs）和反相界。这些扩展缺陷及其相关的点缺陷显著影响了复合过程和载流子散射，从而限制了载流子迁移率。
众所周知，控制SiC/Si结构中的缺陷形成对于确定其电学参数和在功率器件及传感器件中的可靠性至关重要。在我们之前关于SiC/Si异质结构的研究[2]中，我们发现通过HT-CVD在SiC/Si界面附近形成的密集位错网络会导致电学特性的显著变化，并可能局部改变导电类型。本研究通过结合光致发光光谱和霍尔效应测量，将这些发现扩展到n型3C-SiC/Si(100)，从而定量关联了光谱缺陷特征与载流子散射机制。Pedio等人的最新工作[3]表明，3CSiC(100)/Si(100)界面的质量在很大程度上取决于初始Si表面碳化过程中形成的过渡层的结构和组成。他们利用XPS、LEED和X射线技术识别了不同的界面生长模式，并表明优化过渡层的厚度和碳化程度可以显著降低SF密度并提高后续3CSiC层的结构均匀性。[4]总结了β-SiC(100)表面的原子和电子结构及其重构过程，这对于理解初始碳化阶段和界面形成至关重要。这些结果强调，界面工程是获得器件级材料的关键部分，而不仅仅是与基底相关的问题。
对于betavoltaic和抗辐射SiC结构而言，通过正电子湮灭断层扫描技术对扩展缺陷和空位相关缺陷进行三维映射变得尤为重要，如SiC betavoltaic中的研究[5]所示。在这方面，开发更实用的光学技术来间接评估3CSiC/Si(100)结构的缺陷状态成为当务之急。从能带结构的角度来看，多项密度泛函理论（DFT）研究分析了掺杂和点缺陷对3CSiC的影响，包括[1]，其中用施主和受主（P、N、Ga等）替代Si和C被证明会显著改变禁带并引入深能级和准局域能级。这些结果强调了3CSiC/Si(100)的光致发光光谱特征和散射机制不仅与扩展缺陷（SFs、位错）有关，还与杂质-缺陷复合物的特定配置有关。
另一种降低3CSiC中缺陷密度的方法是使用缓冲层，特别是AlN/Si异质结构。研究表明，在AlN/Si上CVD生长3CSiC可以部分缓解应力并减少位错和SF密度，且3CSiC结构在生长过程中会发生显著变化[6]。关于各种SiC多型体中杂质和缺陷的参数和性质的汇总数据可以在[7]中找到，这为本研究中讨论的能级提供了基础。最近对3CSiC的研究表明，氮掺杂可以选择性地抑制SFs的形成，其中6H型SFs的抑制效果优于4H型SFs[8]，这对于理解不同类型SFs对PL光谱成分的贡献非常重要。
PL提供了关于辐射中心（点缺陷、涉及杂质和SFs的关联复合体）的光谱选择性信息，而霍尔测量则定量表征了载流子浓度和迁移率。通过对同一3CSiC/Si(100)样品结合这两种方法的分析，可以建立PL成分与限制载流子传输的散射机制之间的联系。对于在Si衬底上的3CSiC，SFs和相关部分位错是主要的扩展缺陷类型，决定了结构的完整性及电子性质。Boulle等人[9]通过漫射X射线散射证实了在厚3CSiC晶体中可以定量表征其密度和空间分布；而Litrico等人[10]详细研究了同质外延3CSiC薄膜中SFs随厚度和生长条件的演变。这些结果突出了在异质外延3CSiC/Si(100)结构中同时分析堆垛故障、传输特性和PL的必要性。
**实验细节**
3CSiC/Si(100)异质结构是通过高温化学气相沉积（HT-CVD）在1340–1360°C的温度下，在略富硅的条件下在Si(100)衬底上生长的，这种热力学条件有利于形成立方SiC多型体，同时保持Si衬底的晶体取向。图1展示了样品KEF-32-5的光致发光光谱及其分解为三个高斯成分（位于383、429和464纳米处）。图2显示了使用四个高斯成分（位于385、433、511和563纳米处）拟合的KEF-32样品的光致发光光谱。光谱拟合采用了I(λ)=∑iAiexp^(-λ-λi)^2/2σi^2 + Ibg公式，其中峰值位置是通过高分辨率测量确定的。通过调整振幅和宽度来提取半高宽（FWHM）并进行积分分析。
**技术建议**
基于我们的分析，我们提出了以下优化3C-SiC/Si(100) HT-CVD生长的建议：
- 微调C/Si比例和生长速率，以减少导致P3和P4带的空位和关联复合体的浓度，同时保持立方相稳定性并最小化其对传输的影响；
- 用氮控制n型掺杂水平：施主浓度应提供所需的导电性，但不会导致强烈的补偿效应和主导作用。
**结论**
我们证明了通过对通过HT-CVD外延生长的n型3CSiC/Si(100)异质结构中的光致发光、霍尔参数和传输特性的综合分析，可以建立扩展缺陷和关联缺陷的光谱特征与载流子迁移率及器件潜在性能之间的定量联系。将PL光谱分解为P1–P4四个成分（图2、图1、表3、表4）表明，近带边/激子带P1（3.22 eV）和施主-受主带P2C...
**作者贡献声明**
B.G. Atabaev：验证、方法论、概念化。
M.V. Dolgopolov：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、形式分析、数据整理、概念化。
Kh.N. Juraev：资源提供、研究、数据整理。
A.S. Chipura：验证、形式分析、数据整理。
V.I. Chepurnov：资源提供、方法论、研究。
R. Jalolov：资源提供、研究、数据整理。
O. Turgunov：资源提供、研究、数据整理。
S.A. Radzhapov：...
**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
**致谢**
作者感谢各自机构的支持。
