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《山东建筑大学》 2017年
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制备工艺对氮化锌薄膜结构和光波导特性的影响

朱笑菲  
【摘要】:在科学技术迅猛发展的今天,半导体薄膜材料凭借其优良的特性和尺寸上的特殊优势,已然成为当今材料技术研究的热点。目前研究比较广泛的是锌类和氮族化合物。Zn_3N_2薄膜材料因同属于锌类和氮族的Ⅱ-Ⅴ化合物,引起了科学研究者的广泛关注。Zn_3N_2薄膜具有高载流子迁移速率、高电导率且禁带宽度因制备方法的不同而变化等优点,同时Zn_3N_2薄膜的制备方便、操作简单。本研究采用射频反应磁控溅射技术,将纯度为99.99%的纯金属锌靶材放在氮气和氩气气氛中反应溅射,在Al_2O_3、MgO和Si111衬底上制备Zn_3N_2薄膜,研究衬底材料的种类、衬底温度及氮气和氩气的流量比对沉积的Zn_3N_2薄膜结晶度、表面形貌和光波导特性的影响。在其它沉积参数相同的条件下,分别在Al_2O_3、MgO和Si111三种不同的衬底上沉积生长Zn_3N_2薄膜,经过X射线衍射和原子力显微镜检测后发现,在Al_2O_3衬底上生长的Zn_3N_2薄膜晶粒尺寸较大,薄膜结构较为致密,在Si111衬底上沉积的薄膜晶粒尺寸较小,粗糙度较大,而在MgO衬底上并没有发现Zn_3N_2薄膜的的衍射峰。选择Si111做衬底,衬底温度分别控制在25℃(室温)、200℃、400℃,在三种不同的衬底温度下溅射沉积Zn_3N_2薄膜,研究不同的衬底温度对Zn_3N_2薄膜晶格结构和光波导特性的影响。通过XRD检测和原子力显微镜观察,可以看出,在200℃下,沉积出的Zn_3N_2薄膜的质量较好,结晶度较高而粗糙度较低,当衬底温度较高时,生长的Zn_3N_2薄膜表面粗糙度增大。选择Si111做衬底,分别在纯N_2环境和氮氩流量比为3:2的环境中生长Zn_3N_2薄膜,观察到在纯N_2环境也可生长出Zn_3N_2薄膜,但生长出的薄膜结晶性和粗糙度不如在氮氩混合气氛中生长出的薄膜高。应用棱镜耦合技术,研究沉积的Zn_3N_2薄膜的光波导特性,观察到在Al_2O_3衬底上有2个TE模1个TM模,而在MgO衬底上也观察到同样个数的TE、TM模,并模拟计算出Zn_3N_2薄膜的有效折射率,在Al_2O_3衬底上薄膜的有效折射率为no=2.338,ne=1.757,在MgO衬底上薄膜的有效折射率为no=2.213,ne=1.737。
【关键词】:Zn_3N_2薄膜 有效折射率 XRD 反应磁控溅射
【学位授予单位】:山东建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O484
【目录】:
  • 摘要4-5
  • ABSTRACT5-10
  • 第一章 绪论10-19
  • 1.1 前言10-12
  • 1.1.1 薄膜材料概述10-11
  • 1.1.2 氮化锌薄膜的国内外研究现状11-12
  • 1.2 氮化锌薄膜的性质12-14
  • 1.2.1 氮化锌的晶格结构12-13
  • 1.2.2 氮化锌的光学性质13-14
  • 1.2.3 氮化锌的电学性质14
  • 1.2.4 氮化锌的热氧化性质14
  • 1.3 研究的主要内容及意义14-16
  • 参考文献16-19
  • 第二章 氮化锌薄膜的制备方法19-25
  • 2.1 热蒸发法19-20
  • 2.2 分子束外延20-21
  • 2.3 有机化学气相沉积21
  • 2.4 脉冲激光沉积法21-22
  • 2.5 反应磁控溅射法22-24
  • 2.5.1 反应磁控溅射的工作原理22-23
  • 2.5.2 反应磁控溅射法的优点23
  • 2.5.3 反应磁控溅射技术的发展趋势23-24
  • 参考文献24-25
  • 第三章 薄膜的表征技术25-38
  • 3.1 X射线衍射(XRD)25-27
  • 3.1.1 X射线的原理25-26
  • 3.1.2 X射线的应用26
  • 3.1.3 XRD的分析方法26-27
  • 3.2 原子力显微镜27-30
  • 3.2.1 AFM的工作原理27
  • 3.2.2 AFM的系统组成27-28
  • 3.2.3 AFM的工作模式28-30
  • 3.3 棱镜耦合法30-37
  • 3.3.1 棱镜耦合的原理30-32
  • 3.3.2 棱镜耦合法激发光波导中导模32-33
  • 3.3.3 有效折射率的计算33-35
  • 3.3.4 波导参数:薄膜厚度和薄膜折射率的计算原理35-36
  • 3.3.5 Metricon Model 2010 棱镜耦合仪36-37
  • 参考文献37-38
  • 第四章 制备工艺对Zn_3N_2薄膜性质的影响38-64
  • 4.1Zn_3N_2薄膜的制备38-42
  • 4.1.1Zn_3N_2薄膜的制备系统38-40
  • 4.1.2 主要实验材料40
  • 4.1.3 薄膜样品的制备40-41
  • 4.1.4 薄膜样品的制备参数41-42
  • 4.2 Zn_3N_2薄膜的XRD分析42-51
  • 4.2.1 衬底类型对Zn_3N_2薄膜的晶格结构影响42-45
  • 4.2.2 衬底温度对Zn_3N_2薄膜的晶格影响45-48
  • 4.2.3 氮气比例对Zn_3N_2薄膜的晶格结构影响48-51
  • 4.3 Zn_3N_2薄膜的表面形貌特征分析51-58
  • 4.3.1 衬底类型对Zn_3N_2薄膜表面形貌的影响51-53
  • 4.3.2 实验温度对Zn_3N_2薄膜表面形貌的影响53-56
  • 4.3.3 氮气比例对Zn_3N_2薄膜表面形貌的影响56-58
  • 4.4 Zn_3N_2薄膜的光波导特性分析58-63
  • 参考文献63-64
  • 第五章 总结与展望64-66
  • 5.1 主要成果64
  • 5.2 主要创新点64-65
  • 5.3 展望65-66
  • 致谢66-67
  • 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况67

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