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过滤电弧离子镀沉积发光AlN薄膜及其性能的研究

作　者: 蔡明
导　师: 邱万奇
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: AlN:Cr薄膜 AlN:Cu薄膜 AlN:Cr,Cu双层膜光致发光磁过滤电弧离子镀挡板电弧离子镀
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

AlN薄膜具有一系列优异的物理与化学性能,其禁带宽度为6.2eV,是所有Ш-V族半导体材料中禁带宽度最宽的直接带隙半导体材料,带间跃迁发射波长可深入深紫外波段,是一种很有潜力的半导体发光材料。目前有很多方法用于制备发光AlN薄膜材料,如磁控溅射、金属有机物化学气相沉积、分子束外延等,而过滤电弧离子镀作为一种高离化率,高沉积速率的成膜方法,却因薄膜中含有大颗粒,在发光薄膜的制备中甚少得到应用。本文分别利用挡板过滤和90°弯管磁过滤电弧离子镀法消除大颗粒,制备了AlN,AlN:Cr,AlN:Cu等薄膜,并对其光致发光性能进行了研究。对挡板电弧离子镀制备非掺杂的研究发现,在非本征少量杂质氧元素的作用下,其光致发光谱为在400nm左右的宽带发射峰;该薄膜具有不明显的(100)方向的择优取向,其均方根粗糙度Rms值为22.150nm,Ra值为16.281nm;随着靶基距的增大,AlN薄膜的结构由多晶态逐渐转变为非晶态。磁过滤电弧离子镀Cr掺杂AlN薄膜,在制备过程中没有对基底进行加热,AlN:Cr薄膜为非晶态,其中Cr是以三价离子的状态存在,Cr元素的原子百分含量为5.4%,由于Cr3+形成发光中心,导致有红色的光致发光峰出现。磁过滤电弧离子镀AlN:Cr薄膜的霍尔系数为31.29cm3/C,霍尔迁移率为35.34cm2/ (V·s),载流子浓度为-1.99×1017cm-3。用挡板电弧离子镀制备的Cu掺杂AlN薄膜也呈非晶态,暴露于空气中的薄膜表面存在C、O等元素污染,剥蚀后氧元素迅速降低至4.1%,形成富Al的AlN薄膜,Cu元素的原子百分比为11%,有一价铜元素的存在,正是由于Cu+形成发光,其光致发光峰为中心在450nm的宽带发射峰。挡板电弧离子镀AlN:Cu薄膜的霍尔系数为3.2666cm3/ C,霍尔迁移率为0.2547cm2/(V·s),载流子浓度为1.9×1018cm-3。用磁过滤电弧离子镀制备的AlN:Cu薄膜也呈非晶态,其发光中心也在450nm左右,并发现基底为P型(111)硅和载玻片的发光强度更高,随着基底负偏压的增大,有助于发光强度的提高。为了研究无荧光粉白色发光材料,用磁过滤电弧离子镀的方法制备了多晶AlN:Cr,Cu双层膜,其发射波长范围覆盖蓝紫色和红光发射区。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-29
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 无机发光材料的研究与应用  13-15
  1.3 AlN 的基本性质  15-16
  1.4 AlN 发光性能研究现状  16-20
    1.4.1 发光AlN 薄膜的制备方法  16-17
    1.4.2 发光AlN 薄膜的衬底  17-18
    1.4.3 发光AlN 薄膜的晶体结构  18-19
    1.4.4 发光AlN 薄膜的三基色及白光研究现状  19
    1.4.5 热处理对发光AlN 薄膜的影响  19-20
  1.5 常用发光理论综述  20-27
    1.5.1 晶体场理论  20-23
    1.5.2 荧光力学理论  23-25
    1.5.3 位形坐标模型  25-26
    1.5.4 能量传递学说  26
    1.5.5 空穴转移模型  26-27
    1.5.6 其它发光理论  27
  1.6 研究目的、内容及创新之处  27-29
    1.6.1 本课题研究目的  27
    1.6.2 本课题研究内容  27-28
    1.6.3 本课题创新之处  28-29
第二章实验设备及性能测试仪器  29-35
  2.1 AIP-01 型多弧离子镀膜机  29-31
  2.2 90°弯管磁过滤装置  31-32
  2.3 超声波清洗设备  32
  2.4 Philips X’Pert 型小角 X 射线衍射仪  32-33
  2.5 Kratos AXis Ultra（DLD）多功能光电子能谱分析仪  33-34
    2.5.1 定性分析  33
    2.5.2 定量分析  33
    2.5.3 化学位移  33
    2.5.4 深剖分析  33-34
  2.6 LEO-1530VP 型场发射扫描电镜（FE-SEM）  34
  2.7 组合式荧光寿命与稳态荧光光谱仪和PLM-100 荧光光谱仪  34
  2.8 4200 Hall 测试仪  34
  2.9 原子力显微镜（AFM）  34-35
第三章过滤电弧离子镀制备AlN 薄膜和AlN:Cr 薄膜及其发光性能研究  35-52
  3.1 过滤电弧离子镀非掺杂AlN 膜及其发光性能的研究  35-40
    3.1.1 引言  35
    3.1.2 试验过程和试验现象  35-37
    3.1.3 挡板电弧离子镀非掺杂AlN 膜的结构分析  37-38
    3.1.4 挡板电弧离子镀非掺杂AlN 膜的表面粗糙度分析  38
    3.1.5 靶基距对挡板电弧离子镀非掺杂AlN 膜结构的影响  38-39
    3.1.6 挡板电弧离子镀非掺杂AlN 膜的发光性能研究  39-40
  3.2 过滤电弧离子镀AlN:Cr 薄膜及其发光性能的研究  40-50
    3.2.1 引言  40-41
    3.2.2 磁过滤电弧离子镀Cr 掺杂AlN 薄膜的制备  41-43
    3.2.3 磁过滤电弧离子镀Cr 掺杂AlN 薄膜结构分析  43-44
    3.2.4 磁过滤电弧离子镀Cr 掺杂AlN 薄膜成分分析  44-47
    3.2.5 磁过滤电弧离子镀Cr 掺杂AlN 薄膜光致发光图谱分析  47-48
    3.2.6 磁过滤电弧离子镀Cr 掺杂AlN 薄膜膜厚测量及霍尔效应研究  48-50
  3.3 本章小结  50-52
第四章过滤电弧离子镀制备AlN:Cu 薄膜和AlN:Cr,Cu 双层膜及其发光性能研究  52-75
  4.1 过滤电弧离子镀制备AlN:Cu 薄膜及其发光性能研究  52-68
    4.1.1 引言  52
    4.1.2 挡板电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜  52-60
      4.1.2.1 挡板电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜的制备  53
      4.1.2.2 挡板电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜XRD 图谱分析  53-54
      4.1.2.3 挡板电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜XPS 图谱分析  54-57
      4.1.2.4 挡板电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜光致发光图谱分析  57-59
      4.1.2.5 挡板电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜膜厚测量及霍尔效应研究  59-60
    4.1.3 磁过滤电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜  60-68
      4.1.3.1 磁过滤电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜的制备  60
      4.1.3.2 磁过滤电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜结构分析  60-61
      4.1.3.3 磁过滤电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜光致发光性能分析  61-62
      4.1.3.4 基底对磁过滤电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜发光性能影响  62-65
      4.1.3.5 偏压对磁过滤电弧离子镀Cu 掺杂AlN 薄膜发光性能影响  65-68
  4.2 过滤电弧离子镀制备AlN:Cr,Cu 双层膜及其发光性能研究  68-73
    4.2.1 引言  68-69
    4.2.2 磁过滤电弧离子镀AlN:Cr,Cu 双层膜的制备  69-70
    4.2.3 磁过滤电弧离子镀AlN: Cr,Cu 双层膜X 射线衍射分析  70-72
    4.2.4 磁过滤电弧离子镀AlN: Cr,Cu 双层膜光致发光分析  72-73
  4.3 本章小结  73-75
结论与展望  75-78
  结论  75-76
  展望  76-78
参考文献  78-86
攻读硕士学位期间取得的研究成果  86-87
致谢  87

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