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磁控溅射法制备立方氮化硼薄膜及原位掺硫研究

郭清秀  
【摘要】:立方氮化硼(c-BN)是一种人工合成的宽带隙Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,它有许多优异的物理化学性质,如仅次于金刚石的硬度、高温下强的抗氧化能力、不易与铁族元素反应、宽的波长(从红外到紫外光谱)范围内很好的透光性、可实现n型和p型掺杂等。立方氮化硼(c-BN)薄膜在力学、热学、光学、电子学等方面有着非常诱人的应用前景,多年来一直吸引着国内外众多研究者的兴趣。本文采用射频磁控溅射法研究了镍过渡层上c-BN薄膜的制备、h-BN薄膜的原位掺硫、及h-BN/Si n-p薄膜异质结。 运用射频磁控溅射系统在Si衬底上制备镍过渡层,再在其上沉积氮化硼薄膜。本实验在其它实验条件一定的情况下研究了镍过渡层厚度对立方氮化硼生长的影响。实验结果显示:镍过渡层厚度是立方氮化硼薄膜生长的关键;通过控制镍过渡层厚度,立方氮化硼的生长在零偏压,室温的情况下也能实现;并且得出镍过渡层厚度约为150nm时,制备出的氮化硼薄膜立方相含量最高并探讨了其中的原因。在此基础上,研究了溅射功率、衬底温度、衬底偏压以及退火条件,对制备高质量的立方氮化硼薄膜的影响。 在真空室中固定电炉和钼舟,采用溅射时原位掺杂S的方法,对BN薄膜进行了n型掺杂研究。使用FTIR谱和XPS谱对样品进行表征,并使用Keithley4200测量样品表面的I-V特性。实验发现,硫蒸发源温度对h-BN薄膜表面电阻率有影响,通过控制硫蒸发源温度,可以达到有效控制h-BN薄膜内硫掺杂剂量的目的,可以分别使h-BN薄膜表面电阻率下降1~4个数量级。经霍尔效应测试,硫蒸发源温度为70℃~80℃时原位掺硫的h-BN薄膜样品为n型掺杂,载流子浓度1017cm-3,迁移率为84.25 cm2/v s。在此基础上,我们还研究了(1)退火对不同掺杂剂量(硫蒸发源温度)的BN薄膜的影响,(2)掺杂剂量相同的情况下,退火温度对BN薄膜的影响。 我们还研究了不同硫掺杂剂量的h-BN/Si n-p薄膜异质结的伏安特性,用p-Si/n-BN异质结能带理论对实验结果进行了分析。 另外,我们还做了B膜在氮气保护下退火的研究。由于设备密封性及薄膜黏附的水分等非故意引入的氧,退火后生成物主要是硼的氧化物。


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