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脉冲激光沉积制备高取向AlN薄膜的研究

作　者: 祝斌
导　师: 宋仁国
学　校: 浙江工业大学
专　业: 光学工程
关键词: AlN薄膜 脉冲激光沉积 择优取向 激光能量密度 环境气压 衬底温度
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


AlN是一种性能优异的宽带隙Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料,特别是高取向的AlN纳米薄膜,其化学稳定性、导热性、高声波传输性、高机械强度性以及光学电学等方面的优势,在微电子器件、光电子元器件和声表面波器件(SAW)等领域有着广阔的应用前景。同时,脉冲激光沉积法(PLD)是一种制备高质量薄膜的先进技术,因此,本文采用脉冲激光沉积法,在不同的条件下,研究制备高取向AlN薄膜的最优工艺参数。AlN薄膜有着物理气相类和化学气相类等众多的研究方法,本文系统的介绍了各种薄膜制备技术的理论基础、优势和研究进展以及相应AlN薄膜材料的最新研究热点问题、研究状况以及应用前景等。在阐述脉冲激光沉积法的基本原理、沉积过程和技术特点的基础上,我们设计了该研究方案的具体步骤、实施要领及注意事项,在运用脉冲激光沉积法制备了几组AlN纳米薄膜样品后,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等几种分析测试技术观察样品取向和结构,进而探讨了各种沉积条件对AlN薄膜质量的影响,主要结果如下:1.在一定范围内,较大的激光能量密度、环境气压值和衬底温度都有利于AlN薄膜结晶;其中在较低的激光能量密度(0.6J/cm~2~0.77J/cm~2)、较高的环境气压(10Pa~100Pa)和较低的衬底温度(室温~200℃)下,AlN薄膜向(100)面择优生长;在较高的脉冲激光能量密度(1.17J/cm~2~1.60J/cm~2)、较低的环境气压(0Pa~5Pa)和较高的衬底温度(500℃~800℃)下,AlN薄膜沿C轴(002)择优取向。2.在大于脉冲能量阈值的范围内,随着激光能量密度的增加,薄膜的沉积速率将随之增加;升高衬底温度也有助于增加薄膜的生长速率。3.增加激光能量密度,提高环境气压和升高衬底温度都会使薄膜晶粒尺寸和薄膜表面粗糙度增大。4.在激光能量密度为1.17J/cm~2、环境气压为5Pa和衬底温度为500℃的条件下成功制备出了(002)面择优取向且质量良好的AlN薄膜。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-19
  1.1 引言  12-13
  1.2 AlN 的基本性质  13-14
  1.3 AlN 的应用  14-15
    1.3.1 压电材料  14-15
    1.3.2 外延缓冲层材料  15
    1.3.3 发光层材料  15
  1.4 AlN 薄膜的研究进展  15-18
    1.4.1 高取向度的AlN 薄膜制备技术  15-16
    1.4.2 单晶AlN 薄膜生长技术  16-17
    1.4.3 AlN 复合薄膜制备技术  17-18
  1.5 本课题研究的主要内容  18-19
第二章 AlN 薄膜的制备方法  19-29
  2.1 AlN 薄膜的常用制备方法  19-21
    2.1.1 化学气相沉沉积法（CVD）  19-20
    2.1.2 物理气相沉积法（PVD）  20-21
  2.2 脉冲激光沉积技术  21-28
    2.2.1 脉冲激光沉积技术概述  21-22
    2.2.2 脉冲激光沉积原理  22-27
    2.2.3 脉冲激光沉积技术特点  27-28
  2.3 本章小结  28-29
第三章 AlN 薄膜的实验制备与表征  29-38
  3.1 实验设计及方案  29
  3.2 实验过程  29-33
    3.2.1 实验设备  29-31
    3.2.2 衬底的准备  31
    3.2.3 实验步骤  31-33
  3.3 AlN 薄膜的表征  33-37
    3.3.1 X 射线衍射分析（XRD）  33-35
    3.3.2 扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)  35-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章 激光能量密度对AlN 薄膜结构的影响  38-46
  4.1 样品的制备  38-39
  4.2 激光能量密度对AlN 薄膜生长取向的影响  39-40
  4.3 激光能量密度对AlN 薄膜厚度的影响  40-42
  4.4 激光能量密度对AlN 薄膜晶粒大小的影响  42-43
  4.5 激光能量密度对AlN 薄膜表面形貌的影响  43-45
  4.6 本章小结  45-46
第五章 环境气压对AlN 薄膜结构的影响  46-52
  5.1 样品的制备  46
  5.2 环境气压对AlN 薄膜的结晶和生长取向的影响  46-48
  5.3 环境气压对AlN 薄膜的晶粒大小的影响  48-49
  5.4 环境气压对AlN 薄膜表面形貌的影响  49-51
  5.5 本章小结  51-52
第六章 衬底温度对AlN 薄膜结构的影响  52-60
  6.1 样品的制备  52
  6.2 衬底温度对AlN 薄膜结晶和取向的影响  52-54
  6.3 衬底温度对AlN 薄膜晶粒大小和成膜速率的影响  54-56
  6.4 衬底温度对AlN 薄膜表面形貌的影响  56-59
  6.5 本章小结  59-60
第七章 结论与展望  60-61
参考文献  61-65
致谢  65-66
硕士学位在读期间发表的论文  66

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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