SiC发光特性及其调控研究进展
王思聪1，季凌飞1,吴 燕1，张永哲2，闫胤洲1
【摘 要】摘要：碳化硅(SiC)作为第三代半导体的代表材料，具有禁带宽度大、热导率高和临界击穿电场高等特点，所制备的光电器件在高温、强辐射等极端、恶劣条件下有巨大的应用潜力。本文综述了国内外SiC发光性质的研究现状，介绍SiC发光的实际应用，阐述了单晶、纳米晶和薄膜不同形态SiC的制备方法及发光特点，并对SiC发光调控的研究进展进行了探讨与展望。利用新兴技术手段，可实现对SiC发光光谱和发光效率等性质的调控。 【期刊名称】材料工程 【年(卷),期】2017(045)002 【总页数】10
【关键词】碳化硅；宽禁带半导体；发光；发光调控
SiC作为第三代半导体具有稳定的化学性质和独特的物理性质，包括低密度，高硬度，抗辐射能力强，禁带宽度大，热导率和临界击穿电场高等特点[1]，由于近年来半导体器件和集成电路日趋小型化，并且逐渐向高温、强辐射等极端环境中(如航空航天、核能以及相关通讯领域)的应用上拓展，使得SiC半导体受到广泛关注。由于SiC的宽带隙特性(6H-SiC和4H-SiC的禁带宽度分别为3.08eV和3.26eV)，使其成为最早实现蓝光发光的电致发光材料之一；SiC半导体的独特发光性质吸引了许多研究者的目光，对其进行发光机理以及改进方法的探索，如在生物医学以及量子通信等前沿领域。目前SiC体单晶的制备技术已日趋完善，但是由于SiC是间接带隙半导体，在室温下发光效率较低，如何提高SiC材料的注入效率是提高SiC-LED发光效率的关键，如何改善发光特
性以提高SiC的发光效率乃至对其发光光谱的调制已成为目前的研究热点。本文将介绍与SiC半导体材料相关的发光机理与应用方式，讨论改善、调控SiC发光特性的方法与技术。
1 SiC基本性质及发光应用前景
传统的硅材料应用于集成电路中工作温度低于200℃，而SiC器件可以在500℃温度条件下持续工作超过7000h[2]。同时，相比之下SiC半导体具有宽禁带(2.38～3.26eV)、高热导率(4.9W/(cm·K))和高临界击穿电场(2.5MV/cm)等特点，有助于提高器件的功率密度和集成度。如图1[3, 4]所示对SiC，Si及GaN材料的基本性能参数及对极端特性影响进行对比， SiC已成为高温、大功率和高速器件的首选材料。
SiC材料的传统应用主要作为耐磨材料。随着SiC半导体晶体生长技术的发展，人们对SiC光电学性能的研究逐步展开。SiC杂质能级的分布较为复杂，主要的n型杂质为氮，氮原子取代碳晶格位，在SiC禁带中产生相对较浅的施主。掺杂过程中，晶格中不可避免的会产生空位和自间隙[5]，C 空位(VC)作为施主提供电子。掺入氮的浓度由生长环境中的N2分压决定，且随生长温度的升高而减少。未掺杂SiC单晶是n型材料，这是由于生长过程中化学气相沉积(CVD)反应室残余的N原子掺杂。高掺杂氮的SiC无论是通过Lely生长方法[6]还是随后的离子注入方法[7]，其中的氮原子电学特性均将在浓度1020cm-3数量级饱和。p型SiC通常采取Al掺杂来获得，Al原子取代Si晶格位，形成Si 空位(VSi)，在SiC禁带的下半部分形成最浅的受主能级。因此，通过n型SiC外延层上注入Al离子从而可以获得p-n结。对于Al杂质，浓度接近1020cm-3时，近似为线性关系，随温度升高而增加。此外，B在SiC中有很高的溶解度(约
1020cm-1)，可以形成浅受主能级[8, 9]，产生hv=2.14eV的荧光。
SiC的发光特性同样备受关注，由于其宽带隙特性，使其成为最早实现蓝光发光的电致发光材料之一，早在1969年Brander和Sutton[10]就利用液相外延技术制作了SiC的p-n结，以此为雏形的蓝光发光二极管(LED)在室温下具有100lm的亮度，并且在室温至400℃的温度范围内工作寿命超过15000h。另外，由于SiC带隙较宽，同时又有多种n型与p型的掺杂元素，为制造出整个可见光范围内的发光器件提供了基础。Dmitriev等[11]在同一块6H-SiC基板上利用外延技术制作了蓝(470nm)绿(510nm)红(650nm)三色的SiC发光二极管。最近有研究人员利用SiC的缺陷制作LED来尝试单光子放射[12]，其中缺陷兼有半导体量子点的技术优势和金刚石色心的量子性质优势，其电子自旋量子比特可以利用光学进行重置和读出，这种成本较低的单光子发射器件很有可能在量子通信和生物医学等领域发挥巨大作用[13]。
SiC的光致发光性质同样受到诸多关注，以LED照明研究为例，实现白光照明的方法之一是利用近紫外光激发荧光体的蓝色、黄色发光，而SiC可以采用施主-受主共掺杂(Donor-Acceptor-Pairs，DAP)有效激发黄绿(N-B)以及蓝(N-Al)色荧光，产生近似于太阳光的白光。利用氮化镓基近紫外发光LED激发施主-受主对SiC荧光层，已经能实现较高效率的白光照明[14, 15]。另外，具有发光特性的半导体材料在生物分析领域中有巨大的应用潜力，SiC半导体量子点(Quantum Dots, QDs)[16, 17]由于其较宽激发谱及较窄的发射谱，同时具有优良的生物相容性与化学稳定性，不需要表面钝化处理且能在水中形成稳定的胶体，使得其在生物成像、生物标记研究中具有显著的性能优势。
2 SiC发光机理
SiC发光特性及其调控研究进展
