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《武汉大学》 2010年
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中频磁控溅射制备氮化镓薄膜

阴明利  
【摘要】: 在宽禁带半导体中,Ⅲ族氮化物InN、GaN以及AlN为直接带隙半导体,禁带宽度分别为0.7eV、3.4eV和6.2eV,它们的三元系合金材料也具有直接带隙的特点,可以制备成从0.7eV-6.2eV的各种禁带宽度的半导体材料,其波长覆盖了从红外到紫外的全可见光的范围,可实现红、黄、蓝三原色具备的全光固体显示。生长GaN与AlN薄膜的方法主要有有机金属化学气相沉积(MOCVD)、分子束外外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)、脉冲激光沉积(PLD)以及各种蒸发和溅射的制备方法。蓝宝石(α-Al2O3)或碳化硅((SiC)是制备GaN与AlN薄膜常用的衬底材料,在这些衬底材料上可制备出高质量的GaN与AlN异质外延薄膜。 然而,受这些衬底的价格与尺寸等因素的限制,增加了GaN与AlN材料及其器件的在制造成本,在硅(Si)衬底上生长GaN薄膜并制备光电子和微电子器件,可大幅度降低成本,Si是十分重要的生长氮化物的衬底材料。玻璃是重要的太阳电池衬底材料,不但成本低还可大面积获得,如果能在玻璃衬底上生长出高质量的GaN薄膜将具有重大意义,GaN的广泛使用将不再是梦想。光伏行业中普遍应用的普通玻璃的熔化温度仅有500-600℃,而采用传统方法的生长温度一般在600-1000℃,因此,要在玻璃衬底上生长GaN薄膜需要找到一种低温生长技术。 本文采用自行设计的中频孪生靶磁控溅射系统在Si(111)和石英玻璃衬底上制备了GaN薄膜。并在原有系统上加了阳极层离子源用来辅助沉积AlN薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、俄歇电子能谱仪(AES)、X射线光电子能谱仪(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、325nm He-Cd激光器和拉曼显微分光计等一系列测试手段来对薄膜进行检测,研究了不同沉积气压、衬底偏压、Ar/N2比例、靶-衬底距离以及沉积时间等制备条件对薄膜的结构性质、电学性质以及光学性质等的影响,并初步探讨了薄膜的生长机制和发光机制。所取得的成果如下: 1.用自行设计的中频孪生靶磁控溅射系统在各种工艺条件下生长了GaN与AlN薄膜。此系统中有一对孪生溅射靶,与中频电源的两个输出电极相连。溅射过程中,两个溅射靶交替作为阴极,可明显减少甚至避免氮化物在靶材表面的生成,同时增强了溅射原子在衬底上与反应气体的充分反应,沉积速率有明显提高,GaN薄膜的沉积速率最高达到了5.3μm/h。 2.分别在Si(111)衬底和石英玻璃衬底上生长了GaN薄膜,并在Si(111)衬底上生长了AlN薄膜。系统地研究了各种工艺参数(气压、偏压、N2/Ar比、溅射距离以及溅射时间)对GaN与AlN薄膜性质的影响。生长的GaN与AlN薄膜都为多晶体,呈六角纤维锌矿结构,并带有C轴的择优取向。通过对GaN薄膜的截面分析可知,GaN呈柱状结构生长。质量最好的GaN薄膜的半高宽仅有-721弧秒,而质量最好的AlN薄膜的半高宽则更是仅有-612弧秒。 3.在中频孪生靶磁控溅射系统中加入了一个阳极层离子源,用于沉积择优取向性好,表面平滑并且结构致密的AlN薄膜。采用阳极层离子源辅助沉积的AlN薄膜较没有采用阳极层离子源辅助沉积的AlN薄膜在结构质量、致密度、平滑度以及沉积速率等都要有明显的优势,采用阳极层离子源辅助沉积的表面最平滑AlN薄膜的粗糙度仅有0.13nm。 4.获得了光吸收和光致发光光谱,并对不同工艺参数下生长的GaN与AlN薄膜的生长机理以及发光性质进行了初步研究。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O484.1

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