摘要:利用碳化硅單晶4H-SiC和6H-SiC兩種多形體,采用混合物理化學(xué)氣相沉積法(HPCVD)制備MgB2薄膜。兩種多形體的C-切割表面呈六方晶格,和MgB2晶格特征接近。熱力學(xué)計(jì)算表明利用HPCVD法在原位沉積條件下制備MgB2薄膜時(shí),SiC材料具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性。兩種多形體上的MgB2薄膜均呈高質(zhì)量外延附生,盧瑟福背散射溝道率為12%;Tc大于40K、電阻率低、剩余電阻率比較高、臨界電流密度高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SiC是一種制備MgB2薄膜的理想襯底。
關(guān)鍵詞:碳化硅, MgB2薄膜, HPCVD
MgB2的超導(dǎo)性在超導(dǎo)電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的研究應(yīng)用。利用MgB2制備可能生、均衡約瑟夫森結(jié)要比利用高溫超導(dǎo)體更容易。MgB2具有39K的轉(zhuǎn)變溫度,可以實(shí)現(xiàn)MgB2電路在20K溫度以上工作運(yùn)行,適宜超導(dǎo)集成電路的設(shè)計(jì)制備。實(shí)現(xiàn)MgB2約瑟夫森結(jié)和電路的第一步是利用原位沉積法制備出高質(zhì)量的MgB2薄膜。本實(shí)驗(yàn)利用HPCVD法原位沉積出外延附生MgB2薄膜。實(shí)驗(yàn)中,襯底材料的選擇直接影響MgB2薄膜的質(zhì)量。襯底材料的化學(xué)穩(wěn)定性還受到不同沉積技術(shù)條件的影響,如B薄膜在Mg蒸汽中的非原位退火、Mg-B或Mg-MgB2混合物的原位退火、低溫原位分子束外延生長、HPCVD等。之前做過的實(shí)驗(yàn)研究將4H-SiC作為MgB2薄膜的襯底,本研究則對(duì)4H和6H兩種多形體C-切割-SiC進(jìn)行系統(tǒng)研究。熱力計(jì)算表明碳化硅具有良好的結(jié)構(gòu)、電子性能,是采用HPCVD法制備MgB2薄膜的理想襯底材料。
碳化硅是一種能隙約3eV的寬帶隙半導(dǎo)體材料,其基本結(jié)構(gòu)單元為C-Si四面體;根據(jù)六方結(jié)構(gòu)C-Si雙分子層的堆積順序,碳化硅有170多個(gè)多形體。如果將第一個(gè)雙分子層稱之為A位置,那么第二個(gè)雙分子層可以放置在B或C位置。本研究中多形體4H-SiC和6H-SiC的堆積順序分別為ABCB和ABCACB;兩種多形體均具有六方結(jié)構(gòu),4H-SiC的a=3.073Å,6H-SiC 的a=3.081Å;4H-SiC的c晶格常數(shù)為10.053 Å,6H-SiC 的c晶格常數(shù)為15.12 Å。本研究中,兩種多形體的襯底為(001)向(c-切割),其六方晶格和MgB2相匹配(a=3.086 Å)。
He等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳化硅與Mg和B以壓制丸狀在密封鈦管中800℃下退火時(shí),MgB2會(huì)和碳化硅發(fā)生反應(yīng)。在HPCVD工藝中,720℃~760℃下,在B2H6引入之前碳化硅襯底容易受Mg蒸汽影響。本研究利用熱力計(jì)算考慮了SiC、Mg、B之間可能會(huì)發(fā)生的所有化學(xué)反應(yīng);由此產(chǎn)生的SiC-Mg相圖(4H-SiC)如圖1所示;同樣獲得類似的6H-SiC的SiC-Mg相圖。較低的虛線代表MgB2的相穩(wěn)定性的下限;上方虛線代表Mg蒸汽壓力。在對(duì)應(yīng)溫度下當(dāng)Mg分壓為其蒸汽壓力的95%或更低時(shí),沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。當(dāng)高于該值時(shí),有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生并生成Mg、Si、C和石墨的溶液。在He等人的研究中,密封鈦管內(nèi)Mg分壓能夠保持在其蒸汽壓力的95%以上并引起化學(xué)反應(yīng)。而在本實(shí)驗(yàn)中,雖然Mg分壓足夠高且能生成穩(wěn)定的MgB2復(fù)合物,但由于沉積過程中持續(xù)的抽氣效應(yīng),使得Mg分壓保持在其蒸汽壓力的95%以下,從而避免襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。


(詳細(xì)內(nèi)容敬請(qǐng)點(diǎn)擊這里)