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激光MBE生长BN和AlN薄膜材料及光电性质研究

作　者: 吴永辉
导　师: 张伟风
学　校: 河南大学
专　业: 物理电子学
关键词: 激光分子束外延六方氮化硼氮化铝铝颗粒
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

包括AlN, BN, GaN和AlGaN在内的III-V族半导体具有较宽的直接带隙,在紫外光源和探测器方面的有着很好应用前景,同时它们都具有出色的物理化学性能,因而吸引了越来越多的科研工作者的关注。本文基于对L-MBE成膜过程的分析,明确了影响薄膜结晶的主要的参数;通过优化实验条件,成功制备了h-BN和AlN薄膜。并通过XRD、Raman、FTIR、SEM、EDS、XPS、UV-V-NIR、I-V及电阻率测量等对薄膜结构、形貌、光学及电学性质进行了的表征,研究了衬底温度、氮气压强、激光能量和本底真空等对薄膜光电性质的影响。取得了一些有意义的结果,主要结果如下:1、对L-MBE的成膜过程进行了细致的分析,发现激光的能量密度、脉冲宽度和环境气压共同决定了等离子体到达衬底表面的平均动能,从而和衬底温度等参数一起决定了薄膜的质量。2、用L-MBE在不同的衬底温度、激光脉冲能量和氮气压强下制备了BN薄膜,通过FTIR表征,薄膜均为纯相的六方结构。薄膜的结晶状况随着温度的升高、激光脉冲能量的增大而变好。Raman表征结果发现,在700℃、600mJ/pulse、氮气压强2×10-2Pa条件下制备的薄膜有明显的h-BN特征峰,表明薄膜具有一定的结晶度,通过XPS的表征结果发现其N/B比为0.958,接近化学计量比。3、在本底真空为5×10-6Pa不通入氮气的条件下,300mJ/pulse,不同的衬底温度条件下了制备了AlN薄膜。XRD表征发现低于600℃时,AlN薄膜是(002)择优取向;高于此温度时,薄膜为多晶。而且衬底的衍射峰只有在温度超过300℃时才逐步出现。同时通过反射谱和吸收谱发现,当温度小于300℃时,薄膜具有金属性。由此推断薄膜中含有金属Al。通过对薄膜电阻率的测量验证了这一推断。4、在250℃,300mJ/pulse,不同的氮气压强下制备了AlN薄膜。XRD表征发现低2×10-4Pa下薄膜的结晶最优,高于2×10-2Pa时薄膜变为非晶。衬底峰只有在2×10-2Pa时出现了。对薄膜的电阻率测量发现,其电阻率随着气压的上升而增大,这说明氮气对薄膜的氮损失有一定的补充,但是由于产生了碰撞而是等离子体速度变低,从而导致了薄膜的非晶结构。光学性能的表征也与以上分析相符。5、在700℃的衬底温度下,500mJ/pulse,不同的氮气压强下制备了AlN薄膜。XRD表征发现在2×10-2Pa下沉积的薄膜结晶良好,为(002)择优取向,但发现有Al的峰出现;1Pa下沉积的薄膜结晶最优,有很好的(002)取向度;10Pa下沉积的薄膜呈现出非晶结构。SEM表征发现2×10-2Pa时薄膜表面有很多颗粒,对同一区域进行了EDS测试发现,颗粒所在位置富铝但贫氮,结合XRD分析结果认为这些颗粒是金属铝颗粒。电阻率的测量发现,2×10-2Pa下沉积的薄膜导电,电阻率约为9×10-1?·cm,高于1Pa沉积的薄膜为绝缘体。通过渗流理论简单解释了薄膜导电的机理。通过透射谱发现,Al颗粒的出现影响了薄膜的透光性。然而光学带隙的计算发现,并没有变化,结合XRD的结果可以推断,低气压下沉积的薄膜中有金属Al的出现,它的存在影响了薄膜的光电性质,但并没有破坏薄膜的结构。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-22
  1.1 宽禁带半导体材料的兴起  10-11
  1.2 六方氮化硼的性质与研究现状  11-13
    1.2.1 六方氮化硼的基本性质  11-12
    1.2.2 h-BN 研究现状  12-13
  1.3 氮化铝(AlN)的性质及研究现状  13-15
    1.3.1 AlN 的基本性质  13-14
    1.3.2 AlN 薄膜的研究现状  14-15
  本文主要研究内容  15-17
  参考文献  17-22
2 实验方法和表征手段  22-32
  2.1 薄膜的制备方法  22-25
    2.1.1 L-MBE 装置  22-24
    2.1.2 L-MBE 沉积薄膜的原理  24-25
  2.2 表征手段  25-29
    2.2.1 X 射线衍射(XRD)  25
    2.2.2 傅立叶变换红外光谱(FTIR)  25-26
    2.2.3 拉曼光谱(Raman)  26-27
    2.2.4 扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)  27-28
    2.2.5 X 射线光电子能谱(XPS)  28
    2.2.6 原子力显微镜(AFM)  28
    2.2.7 紫外-可见-近红外光谱仪(UV-V-NIR)  28-29
  本章小结  29-30
  参考文献  30-32
3 BN 薄膜的制备及性能分析  32-44
  3.1 BN 薄膜制备  32-36
    3.1.1 制备方法  32
    3.1.2 衬底选择与清洗  32-33
    3.1.3 实验条件的选择与优化  33-36
  3.2 BN 薄膜的表征  36-40
    3.2.1 XPS 表征  36-37
    3.2.2 Raman 谱表征  37-39
    3.2.3 XRD 表征  39-40
    3.2.4 UV-V-NIR 谱表征  40
  本章小结  40-42
  参考文献  42-44
4 高质量 AlN 薄膜的制备及性能表征  44-74
  4.1 AlN 薄膜制备  44-46
    4.1.1 制备方法  44
    4.1.2 衬底选择与清洗  44-46
    4.1.3 实验条件选择  46
  4.2 实验参数对薄膜的影响  46-65
    4.2.1 衬底温度对薄膜制备的影响  46-48
    4.2.2 氮气压强对低温低激光能量下制备 AlN 薄膜影响  48-54
    4.2.3 激光能量对 AlN 薄膜制备的影响  54-55
    4.2.4 本底真空对 AlN 薄膜制备的影响  55-56
    4.2.5 氮气压强对高温高激光能量下制备 AlN 薄膜影响  56-64
    4.2.6 不同衬底对 AlN 薄膜制备的影响  64-65
  4.3 AlN 薄膜制备的最优条件及其性能表征  65-70
    4.3.1 实验条件选择及制备过程  65-67
    4.3.2 样品的结构和形貌表征  67-68
    4.3.3 样品的光学性质  68
    4.3.4 样品的电学性质  68-70
  本章小结  70-71
  参考文献  71-74
5 结论  74-76
  5.1 L-MBE 沉积过程中的分析  74
  5.2 BN 薄膜制备与表征  74
  5.3 AlN 薄膜制备与表征  74-75
  5.4 本文的创新点  75
  5.5 展望  75-76
致谢  76-77
攻读学位期间发表的学术论文  77-78

激光MBE生长BN和AlN薄膜材料及光电性质研究

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