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立方氮化硼薄膜的相变和光、电性能研究

张晓康  
【摘要】: 在氮化硼系统中,立方氮化硼(Cubic boron nitride,c-BN)是集众多优异的物理和化学特性于一身的超硬、宽带隙半导体材料。基于c-BN的高硬度和高热导率、在空气中优异的高温抗氧化性、对铁族金属较低的化学活性、小摩擦系数,高温高压(HTHP)合成的c-BN单晶颗粒已经在刀具、磨具等机械加工领域得到广泛应用。结合优异的机械性能,作为一种宽带隙半导体材料,c-BN在光电领域的应用前景无限,尤其是在特殊环境下。在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中,c-BN光学带隙最宽(Eg>6.4 eV),使其在从紫外到可见再到红外很宽的光谱范围内都表现出优异的光学透过率。因此,c-BN在光学方面的应用范围非常广泛。相对于金刚石,c-BN更容易实现p型与n型掺杂,因此,c-BN在透明、高温、高频、大功率、抗辐射光电子器件方面具有广泛的应用前景。 高温高压制备的c-BN晶体颗粒的小尺寸严重限制了c-BN在制作刀具超硬涂层以及光学、电子元器件等方面的应用。随着薄膜技术的迅速发展,研究者对高质量c-BN薄膜制备方法和特性丌展了较广泛的研究。针对目前国内外在c-BN薄膜方面的研究现状,本文在高质量c-BN薄膜的制备、相变路径和机理、高温光学性能以及电学掺杂方面开展了一定的工作。 1)分析了在BN薄膜的沉积过程中可能的三种相变过程,得到从h-BN到c-BN转变的一个可能途径:h-BN→r-BN→c-BN。发现从h-BN到r-BN的转变需要克服一个很高的能量势垒,而r-BN到c-BN的转变只需要克服一个很低的能量势垒。BN薄膜中存在的大量缺陷和杂质大大降低了从h-BN到r-BN转变所需要的能量,促进了薄膜中立方相的形成。 2)基于对c-BN薄膜沉积过程中相变路径的分析,分离c-BN的成核与生长阶段,改良传统的c-BN薄膜射频溅射制备工艺,提出了“三步法”制备工艺,实现了立方相含量高、粘附性强的c-BN薄膜的可重复性制备。 3)对BN薄膜进行了氮气保护高温退火处理。发现了由h-BN到c-BN再到h-BN的连续的可逆相变过程。由h-BN到c-BN的最佳相变温度为900℃。在此基础上,发展出一种立方相含量高、粘附性强的c-BN薄膜的可重复性制备方法。同时,观察到以正交相氮化硼(E-BN)为中间媒介相,由h-BN到E-BN再到c-BN的阶梯式的间接相变路径。含有大量结构缺陷的h-BN以及面间隙缺陷的存在对于h-BN到c-BN的相变起到了关键的作用。 4)在熔融石英衬底上成功制备出光学带隙达5.97 eV的h-BN薄膜。该值是迄今对h-BN薄膜光学性能报道中的最大值。发现h-BN薄膜的光学吸收行为符合非晶半导体典型的吸收特性。从实验上证实了之前研究者对h-BN光导的计算结果。 进一步揭示了BN薄膜中立方相含量和光学性质的高温(700~900℃)依赖关系。发现随着退火温度的增加,薄膜的光学吸收边界逐渐向高能量方向移动。光学吸收特性的变化是高温退火产生的薄膜应力松弛和结构相变共同作用的结果。通过Urbach带尾模型对薄膜吸收系数和光子能量关系的拟合,确定了薄膜的Urbach能(E_0)。发现随着退火温度的增加,BN薄膜逐步向高密度相c-BN转变,折射率逐渐增大,光导的突增阈值也逐渐向高能量移动。 5)用离子注入方法在BN薄膜中注入了Be。掺杂后的BN薄膜电阻率降低了3-6个数量级。电阻率随Be注入剂量的增大而减小,随退火温度的升高而降低,随立方相含量的增大而增大。纯六角氮化硼薄膜电阻率要比有立方相含量的BN薄膜电阻率低2个数量级。Zn离子注入掺杂实验表明,掺杂后的c-BN薄膜电阻率降低了4~5个数量级。大剂量(1×10~(16) ions/cm~2)zn掺杂的c-BN薄膜与Ag电极可形成较理想的欧姆接触。


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