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立方氮化硼薄膜的射频溅射制备和掺杂研究

邓金祥  
【摘要】: 立方氮化硼因其具有高硬度、高的热稳定性和化学稳定性等优异的物理和 化学性质,而倍受人们的关注。近几年来,立方氮化硼薄膜的制备和性质研究 一直是国际上的研究热点之一,同时又是难点之一。本文主要研究立方氮化硼 的制备、性质和n型掺杂等内容。 1用射频溅射法在Si衬底上成功制备出高质量的立方氮化硼薄膜,达到国际先 进水平。研究了衬底负偏压和射频功率对制备立方氮化硼薄膜的影响 立方氮化硼薄膜沉积在P型Si(100)(8~15Ωcm)衬底上,靶材为h-BN靶 (纯度达99.99%),溅射气体为氩气和氮气混合而成,制样过程中,衬底加直 流负偏压。薄膜成分以红外吸收谱和X射线光电子能谱标识,薄膜形貌以原子 力显微镜观测。实验表明,立方氮化硼薄膜成核和生长的条件窗口很窄,因此 立方氮化硼薄膜难以合成。若要得到立方氮化硼薄膜,负偏压不能低于90V, 功率不能低于200W。当负偏压为200V,功率为300W时,薄膜中立方相的含 量达到92.8%。 2系统地研究了立方氮化硼薄膜的性质 AFM观测表明,立方氮化硼薄膜有明显的剥裂现象。根据X射线光电子能 谱,计算得到立方氮化硼薄膜中的N和B的原子数比为0.90,接近理想化学配 比1;立方氮化硼薄膜顶层的六角氮化硼的厚度约为0.80nm。用椭偏仪测得, 对于波长为632.8nm的光,立方相含量为92.8%的氮化硼薄膜的折射率为 2.19。红外谱图中薄膜的立方相吸收峰峰位的不同与薄膜中的压应力有关,据 此计算了立方氮化硼薄膜中的压应力。压应力最小为1.1GPa,最大为9.3 GPa。 3首次计算了立方氮化硼的吉布斯自由能随薄膜的压应力和温度的变化 文章计算了双轴应力场作用下,氮化硼薄膜的吉布斯自由能和压应力以及 衬底温度的关系。结果表明,在给定的衬底温度下,存在一个压应力阈值,压 应力低于此值时立方相是热力学稳定相,压应力高于此值时,六角相是热力学 稳定相。在室温时,该压应力阈值为9.5GPa。 4研究了衬底对制备立方氮化硼薄膜的影响 我们用热丝辅助等离子体CVD将立方氨化硼薄膜沉积在8、Ni、有Ni过 渡层的出衬底州/St)、C。、不锈钢等衬底材料上,用溅射法(PVD)将立 方氮化硼薄膜沉积在h衬底上。研究结果表明,衬底材料与立方氮化硼的晶格 匹配情况,对溅射法生长立方氨化硼薄膜影响不大,但是对于用CVD生长立方 氮化硼薄膜影响则很大。 5实现了氮化硼薄膜的n型掺杂,成功制备出 BN*型)乃 …型)异质结并 且首次系统研究了其卜V和 cV特性 我们用射频溅射法溅射六角氨化硼靶,在工作气体氮和氮中混入S,沉积 氮化硼薄膜,以研究氮化硼薄膜的 n型掺杂,并得到 BNh型)侣 i…型)异 质结。研究表明,未掺杂的氮化硼薄膜电阻率为为1.sxlo’‘Ocm,掺硫后导电 类型为n型,电阻率变为2.s-c109Qcm,掺杂浓度为6.52xl0“/Cm’。BN*型) 侣 …型)异质结的卜V特性和 CW特性与理想异质结非常接近。 6文章还对立方氨化硼薄膜的成核和生长机理,氮化硼薄膜的n型掺杂机制和 BN*型)侣 i…型)异质结的电流输运机制进行了探讨。


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