高能重离子辐照注氢碳化硅晶体内部缺陷演化的研究

注氢碳化硅晶体内部缺陷演化的研究，不但可以澄清、验证和拓广现有的碳化硅晶体智能剥离理论，深化对晶体内部缺陷损伤导致剥离机制的认识，而且还可以为制备先进功能的SiCOI (SiC-on-insulator)材料提供重要依据。本项目拟用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、离子沟道背散射和拉曼光谱等多种分析手段，重点研究高能重离子辐照过程中注氢碳化硅晶体内部二维盘状空腔的形成和生长、间隙型缺陷的演化、化学键的重构和晶体表面形貌的变化等。在此基础上，通过综合分析现有实验数据，并根据氢离子注入所引入的损伤和高能重离子强电子激发的退火效应，建立碳化硅晶体内部二维盘状空腔生长模型，并从理论上解释单晶碳化硅晶体的智能剥离机理和高能重离子辐照过程中损伤的演化，为制备低成本、低缺陷密度的SiCOI材料提供科学依据。

根据项目研究计划，进行了氢离子注入6H-SiC损伤效应的研究，高能重离子Kr辐照注氢6H-SiC损伤效应的研究。氢离子注入温度分别为室温，573 K和773 K。注入剂量为5×10^15 H2+/cm2-5×10^16 H2+/cm^2，注入能量为100 keV。注入完成后，将样品分割成同样尺寸的若干块，然后做退火处理。退火温度为973 K，1173 K和1373 K，退火时间为15分钟。实验完成后，将样品进行了系统测试。实验结果表明注氢剂量在1.5×10^16H2+/cm^2-2.5×10^16H2+/cm^2，经过1373 K退火后，扫描电镜分析发现表面出现微米尺寸的泡和坑，说明此时样品内部形成了平行于样品表明的微裂纹。在键合的情况下，该注入和退火条件能够保证样品表层完全剥离，为制备SiC-On-Insulator(SiCOI)提供了必要条件。继续增加注入剂量到3.75×10^16 H2+/cm^2-5×10^16 H2+/cm^2时，同样退火条件后，表面泡和坑的密度、尺寸明显减小。光谱和透射电镜微结构分析表明高剂量氢离子注入引入过量的缺陷抑制了样品内部微裂纹的形成和生长。实验结果表明SiC发生剥离需要注氢剂量在1.5×10^16H2+/cm^2-2.5×10^16H2+/cm^2之间。相同注入剂量2.5×10^16H2+/cm^2，分别进行室温，573 K和773 K注入。卢瑟福背散射/沟道测试表明室温注入情况下，硅间隙子浓度随退火温度增加而减小，这说明高温退火引起缺陷恢复；而573 K和773 K注入，硅间隙子浓度随退火温度增加而增加。这说明573 K和773 K注入，经过高温退火有效地促进了损伤层中二维盘状空腔形核与生长。二维盘状空腔在生长过程中挤压周围晶格原子，形成硅间隙子，引起卢瑟福背散射产额增加。高分辨XRD测试表明注入导致的晶格应力在773 K注入的要比573的大，这说明高温注入促进二维盘状空腔的生长，易于发生剥离。1.98 GeV的Kr^33+离子辐照注氢碳化硅，辐照剂量为1×10^12/cm^2,1×10^13/cm^2和1×10^14/cm^2,辐照温度为723K。利用光谱研究了经不同辐照剂量后晶格损伤。拉曼光谱测试发现随着辐照剂量的增加，光谱信号强度明显增强，说明高能重离子辐照引起注氢所产生的缺陷退火，晶格损伤发生恢复，研究了具体原因。