作者：J. M. Redwing, J. Lettieri, V. Vaithyanathan, D. G. Schlom, Zi-Kui Liu13
　　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）。

　　利用HPCVD法制備外延附生MgB2薄膜的原位沉積在之前的研究中已做詳細(xì)研究。主要是在100托氫氣中對(duì)Mg塊和襯底誘導(dǎo)加熱至720℃~760℃；使得襯底附近局部壓力達(dá)到Mg蒸汽的壓力。然后將硼前驅(qū)氣體、氫氣中1000ppm的B2H6引入反應(yīng)器開始制備MgB2薄膜。氫氣流速為400sccm，B2H6/氫氣混合體流速為50sccm。HPCVD技術(shù)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)Mg蒸汽高壓，降低用于抑制MgO形成的氫氣流量。
　　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)。

圖一：4H-SiC襯底上SiC-Mg系統(tǒng)的熱力相圖

　　利用X射線衍射對(duì)4H-SiC和6H-SiC襯底上MgB2薄膜的外延附生關(guān)系和晶體質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。圖2a為（0001）4H-SiC襯底上MgB2薄膜的θ-2θ掃描。襯底峰值標(biāo)記為*，000l MgB2峰值為觀察到的唯一非襯底峰值，這說明薄膜為垂直于其表面的C-軸向純相。2θ和θ處0002 MgB2峰值的半最大值全寬度（FWHM）分別為0.29°和0.56°。C-軸晶格常數(shù)為3.52±0.01Å，和MgB2塊中的常數(shù)相同。圖2b為MgB2 1012映像的方位角掃描（ø掃描），ø＝0°，和碳化硅襯底的[1120]方向平行。掃描中被60°分開的周期性間隔峰值說明MgB2薄膜的六角對(duì)稱和外延附生的存在。Ø處面內(nèi)峰值的FWHM為0.9°；面內(nèi)晶格常數(shù)為3.09±0.03Å，和MgB2塊中的常數(shù)相同。MgB2薄膜和碳化硅襯底間不匹配的小晶格使得六方MgB2直接生長在了六方碳化硅頂部，并引起（0001）[1120]MgB2||（0001）[1120]SiC的外延取向。（0001）6H-SiC襯底上的MgB2薄膜也觀察到類似外延附生。

圖二：（0001）4H-SiC襯底上MgB2薄膜的X射線衍射光譜