兩華大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 氮化鋁薄膜制備及性能研究 材料加工工程 研究生李瑞霞指導(dǎo)教師彭啟才 在這篇論文中，a i n 薄膜是由中頻脈沖磁控濺射制備，主要考察了不同襯 底溫度和退火溫度對(duì)a 1 n 薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，特別研究了a 1 n 薄膜的光 學(xué)性質(zhì)和發(fā)光特性。 結(jié)晶材料a 1 n 具有6 2 8 e v 的直接帶隙使得其在紫外光范圍具有透光窗 口，如果進(jìn)行摻雜還可能得到在紫外光范圍內(nèi)發(fā)光的光電器件。a 1 n 有許多十 分有用的機(jī)械和電學(xué)性質(zhì)，它具有的高硬度、高熱導(dǎo)性、耐高溫、耐腐蝕，與 s i 和g a a s 有合理的溫度適配性，使得a 1 n 能夠作為很好的電子封裝材料。同 時(shí)a l n 不受電磁輻射、電子和離子轟擊的影響。另外，a 1 n 還能與g a n 形成 合金a 1 g a n ，從而能夠制造出基于a 1 g a n g a n 的電子和光學(xué)器件，這種器件 能夠在綠光波長(zhǎng)到紫外光波長(zhǎng)都有效，這是十分誘人的。 最常用于生長(zhǎng)a 1 n 薄膜的技術(shù)是反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，用射頻和直流磁控濺 射研究了a i n 薄膜的生長(zhǎng)條件。該方法簡(jiǎn)單易行而且便宜。盡管使用的是純 金屬燦靶，但是如果直接用直流濺射，在工作一段時(shí)間之后靶表面和真空室 內(nèi)其它部件上就會(huì)覆蓋上一層絕緣的a 1 n 薄膜，導(dǎo)致靶中毒和陽(yáng)極消失現(xiàn)象 出現(xiàn)。為了解決這些問(wèn)題，我們?cè)谶@里使用了中頻電源和孿生靶技術(shù)，在這項(xiàng) 技術(shù)中，孿生靶在濺射過(guò)程中互為陰陽(yáng)極。 由于a i n 薄膜的應(yīng)用與其質(zhì)量密切相關(guān)，為此我們研究在磁控濺射制備 a 1 n 薄膜的過(guò)程中，襯底溫度和退火溫度對(duì)薄膜的微結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的影響，以 及不同的襯底對(duì)微結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響，從而找到a 1 n 薄膜的最佳制備工藝。 在不同襯底上沉積t k l n 薄膜，其薄膜的擇優(yōu)取向不同，所得到的性能也 不相同。在石英襯底上得到( 1 0 1 ) 擇優(yōu)取向的a 1 n 薄膜，由a f m 得出表面光 滑，晶粒細(xì)小；在玻璃襯底上得到c 軸垂直于基片生長(zhǎng)的( 0 0 2 ) 晶向的a 1 n 西華人學(xué)碩士學(xué)位論文 薄膜，表面結(jié)晶狀況良好，晶粒的尺寸較大；在硅襯底上得到平行于基片生長(zhǎng) 的( 1 0 0 ) 晶向和傾斜于基片生長(zhǎng)的( 1 1 0 ) 晶向的多晶薄膜。 在s i 襯底上，襯底溫度為1 9 0 時(shí)表面粗糙度較大，生成了a 1 n ( 1 1 0 ) ， 其衍射峰強(qiáng)度較弱。隨后隨著襯底溫度上升，有利于制備( 1 1 0 ) 面擇優(yōu)取向的 a 1 n 薄膜，但是表面粗糙度變大。 通過(guò)不同退火條件下的a 1 n 薄膜的表面形貌和結(jié)構(gòu)分析，樣品氮?dú)獗Ｗo(hù) 氣下在不同退火溫度退火后，薄膜的表面平整，基本上沒(méi)有缺陷和空洞，薄膜 表面致密晶粒大小比較均勻。7 0 0 。c 為合適的退火溫度，過(guò)高的退火溫度不但 不利于薄膜的結(jié)晶取向反而使薄膜的結(jié)晶情況變差。 利用1 s t o p t 分析軟件，采用f o r o u h b l o o m e r 色散模型對(duì)a 1 n 薄膜的反射 光譜進(jìn)行光學(xué)擬合。折射率在1 9 2 3 之間，且隨波長(zhǎng)增大而減小；消光系數(shù) 小于0 0 0 6 ，說(shuō)明該薄膜有良好的透光性；說(shuō)明較高的退火溫度有利于高折射 率a 1 n 薄膜的生成。 對(duì)樣品的發(fā)光特性進(jìn)行分析，在紫光范圍內(nèi)用不同的激發(fā)波長(zhǎng)照射同一樣 品得出發(fā)光譜峰的位置幾乎是相同的，發(fā)光譜峰相對(duì)強(qiáng)度是不同的，發(fā)光光譜 峰是和雜質(zhì)能級(jí)相關(guān)的，結(jié)果顯示樣品中存在多種雜質(zhì)。不同襯底上的薄膜的 發(fā)光譜峰的位置是不同的，意味著不同的雜質(zhì)存在不同的襯底中。通過(guò)光致發(fā) 光研究了制備條件對(duì)發(fā)光和相關(guān)雜質(zhì)的影響。 關(guān)鍵詞：氮化鋁；中頻磁控反應(yīng)濺射；結(jié)構(gòu)和粗糙度；反射；光致發(fā)光 i i 兩華大學(xué)碩士學(xué) _ 奇= 論文 p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f a i nt h i nf i l m s m a t e r i a lp r o c e s s i n gp r o j e c t p o s t g r a d u a t e l ir u i x i a s u p e r v i s o rp r o f p e n gq i c a i i nt h i st h e s i s ，a 1 nt h i nf i l m sa r ep r e p a r e db ym e d i u mf r e q u e n c ym a g n e t r o n s p u t t e r i n g t h ee f f e c t so ft h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo n t h es t u d i e da n dp r o p e r t i e so fa 1 nt h i nf i l m sh a v eb e e ns t u d i e d ，e s p e c i a l l y , t h e o p t i c a lp r o p e r t i e sa n dp h o t o l u m i n e s c e n c eo ft h ea 1 nt h i nf i l m sh a v eb e e ns t u d i e d c r y s t a l l i z a t i o nm a t e r i a la 1 n ，w i t hd i r e c tb a n dg a po f6 2 8 e v , i st r a n s p a r e n ta t r e a rv i o l e tr e g i o n ，i fd o p e d ，a 1 nt h i nf i l m s ，c a nb e u s e df o rp h o t o e l e c t r o n i cd e v i c e s i nt h er a n g eo fv i o l e t b e c a u s eo fi t sh i g hh a r d n e s s ，h i g ht h e r m a lc o n d u c t a n c e ，h i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n ta n dg o o dt e m p e r a t u r ea d a p t a t i o nw i t hs i a n dg a a s ，a 1 nm a t e r i a l sa r eg o o de l e c t r o n i cp a c k a g i n go n e s a 1 nm a t e r i a l sa r en o t i n f l u e n c e db ye l e c t r o m a g n e t i s mr a d i a t i o na n di o n sa n de l e c t r o n sb o m b a r d m e n t i n a d d i t i o n ，b ya l l o yo fa i n a n dg a n ，a 1 g a nc a nb ef o r m e d ，w h i c hi sv e r yi n t e r e s t i n g m a t e r i a l s ，f o rp h o t o e l e c t r o n i cd e v i c e si nt h er a n g eo fv i o l e ta n dg r e e n a i nt h i nf i l m sa r ep r e p e a r e dg e n e r a l l yb yr e a c t i o nm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，r f o rd cm o d e t h i st e c h n o l o g yi sc h e a p i nd cm o d e ，a l t h o u g hp u r ea 1t a r g e ti s u s e d ，i fs p u t t e r e dd i r e c t l y , i n s u l a t i n ga 1 nt h i nf i l m sw i l la l s ob ed e p o s i t e do nt h e t a r g e ts u r f a c ea n dt h ec o m p o n e n t si nv a c u u m ，r e s u l t i n gi nt a r g e tp o i s o na n da n o d e d i s a p p e a r a n c e i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，m e d i u mf r e q u e n c y ( m f ) p o w e r s u p p l ya n dt w i nt a r g e t st e c h n i q u eh a v eb e e ne m p l o y e d i n t h i st e c h n i q u e ，t h et w i n t a r g e t sa c ta sn e g a t i v ea n dp o s i t i v ep o l em u t u a l l yd u r i n gs p u t t e r i n g t h ea p p l i c a t i o no fa1nt h i nf i l m si sr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo ft h ef i l m s t h e r e f o r e ，t h ee f f e c to fp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n ss u c ha sd i f f e r e n ts u b s t r a t ea n d s u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h em i c r o s t m c t u r ea n dt h e i i i 兩華大學(xué)碩士學(xué)位論文 p r o p e r t i e so ft h ef i l m sh a sb e e ns t u d i e dt og e to p t i m a lc o n d i t i o n sf o rg o o dq u a l i t y o ft h ef i l m s i ti sf o r m e dt h a ta 1 nt h i nf i l m so nd i f f e r e n ts u b s t r a t e ss h o wd i f f e r e n tp r e f e r r e d o r i e n t a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ea r ea l s od i f f e r e n t t h ef i l m so nq u a r t zc r y s t a l s u b s t r a t e sa r ew i t hp r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 101 ) ，t h es u r f a c ea r es m o o t ha n dt h e c r y s t a l l i t e sa r ef i n e ，a se x a m i n e db ya f m t h ef i l m so n t h eg l a s ss u b s t r a t e ss h o w p r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 0 0 2 ) w h i c hm e a n sca x l ei sv e r t i c a lt ot h es u r f a c eo ft h e s a m p l e s ，b e t t e rc r y s t a l l i z a t i o na n da r a t h e rl a r g eg r a i ns i z ei na v e r a g e t h ef i l m so n s is u b s t r a t es h o wp r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 10 0 ) a n d ( 1lo ) ，t h eca x l eo fw h i c hi s p a r a l l e la n d d e c l i n et ot h es u r f a c eo ft h es a m p l e ，r e s p e c t i v e l y f o ra 1 nt h i nf i l m o ns is u b s t r a t e ，t h er o u g h n e s si sr e l a t i v e l yl a r g ew i t hap r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 110 ) a n dt h ew e a ki n t e n s i t yo fx r d i sp e a kf o rt h es a m p l ew i t ht h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o f19 0 。c t h es u r f a c er o u g h n e s s ，p r e f e r r e do r i e n t a t i o na n dt h e i n t e n s i t yo fx r dp e a kw o u l db ec h a n g e df o rd i f f e r e n ts u b s t r a t et e m p e r a t u r e w h e n t h et e m p e r a t u r e si n c r e a s e sf a r t h e r , i ti sh e l p f u lt op r e p a r et h et h i nf i l m sw i t ha p r e f e r r e do r i e n t a t i o no f ( 1 l0 ) ，h o w e v e r , t h es u r f a c er o u g h n e s sw i l lb el a r g e t h ee f f e c to ft h ea n n e a l i n gc o n d i t i o no nt h es t r u c t u r ea n ds u r f a c et o p o g r a p h y o fa 1 nt h i nf i l m si sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h ea s - s p u t t e r e ds a m p l e sa r ea n n e a l e d a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei na na t m o s p h e r eo fn 2 a f t e ra n n e a l i n gt h es u r f a c eo ft h e s a m p l e sw o u l db es m o o t h ，g e n e r a l l y i ti s f o u n dt h a t7 0 0 * ci so p t i m a la n n e a l i n g t e m p e r a t u r e f o rt h es a m p l e sa n n e a l e da tat e m p e r a t u r eh i g h e rt h a n7 0 0 c ，t h e c r y s t a l l i z a t i o nb e c o m ew o r s e 1s t o p ts o f t w a r ei su s e dt oo b t a i nt h eo p t i c a lc o n s t a n t so ft h ea 1 nt h i nf i l m s w i t ht h eh e l po ft h ep h y s i c a lm o d e lp r o p o s e db yf o r o u h ia n db l o o m e rb yf i t t i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e f l e c t i v ec a lv e i nt h es p e c t r a lw a v e l e n g t hr a n g eo f4 0 0 - 8 0 0 n n l ，r e f r a c t i v ei n d e xni s1 9 2 3 ，a n di td e c r e a s e sw i t hw a v e l e n g t h ，e x t i n c t i v e c o e f f i c i e n tki sl e s st h a n0 0 0 6 w h i c hm e a n st h ef i l m sh a v eg o o dl i g h tt r a n s m i s s i o n i ti sf o u n dt h a tt h eh i g h e ra n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei sh e l p f u lt oo b t a i nt h eh i g h r e f r a c t i v ei n d e xo ft h ea l nt h i nf i l m s i v 西華大學(xué)碩十學(xué)何論文 t h e p h o t o l u m i n e s c e n c e o ft h e s a m p l e s a r es t u d i e dt h e p o s i t i o n o f l u m i n e s c e n c es p e c t r u mp e a ki sn e a r l yi d e n t i c a la n dt h ei n t e n s i t yo ft h ep e a ki s d i f f e r e n tw h e nas a m p l ei si l l u m i n a t e dw i t hd i f f e r e n te x c i t a t i o nw a v e l e n g t hi nt h e r a n g eo fv i o l e t t h ep e a ko ft h ep h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r u mi sr e l a t i v e t ot h e i m p u r i t ye n e r g yl e v e l t h e r e f o r e ，t h er e s u l ts h o wt h a tv a r i o u sk i n d so fi m p u r i t y e x i s ti nt h es a m p l e f o rt h et h i nf i l m so nd i f f e r e n ts u b s t r a t et h ep o s i t i o no ft h ep e a k i sd i f f e r e n t t h i sm e a n st h a td i f f e r e n ti m p u r i t i e se x i s tf o rd i f f e r e n ts u b s t r a t e t h e e f f e c to fp r e p a r a t i o nc o n d i t i o no nt h ep h o t o l u m i n e s c e n c ea n di m p u r i t i e sr e l a t e di s a l s os t u d i e db vp l k e y w o r d s ：a 1 n ；m e d i u mf r e q u e n c ym a g n e t r o nr e a c t i o ns p u t t e r i n g ；s t r u c t u r ea n d r o u g h n e s s ；r e f l e c t i v e ；p h o t o l u m i n e s c e n c e v 兩華人學(xué)碩士學(xué)位論文 聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已 經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得西華大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位 或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在 論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 本學(xué)位論文成果是本人在西華大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下取得的，論文成 果歸西華大學(xué)所有，特此聲明。 作者簽名：彥旆露 剔醛名。引盂爿 日日 、厶r1 月月 。 年年 叫呵 兩華大學(xué)碩十學(xué)位論文 西華大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電 子版，允許論文被查閱和借閱，西華大學(xué)可以將本論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù) 印手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書； 2 、不保密。適用本授權(quán)書。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨峡趦?nèi)劃) 學(xué)位論文作者簽名：撇 指導(dǎo)教師簽名：別 日期：呷- 3日期：吖f 子 乏刁 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 引言 材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的各方面發(fā)揮著重要作用。在近幾十年來(lái)， 材料科學(xué)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，各種性能優(yōu)異的材料層出不窮，用來(lái)滿足人們生 產(chǎn)生活的需要。在材料科學(xué)的各個(gè)分支當(dāng)中有一個(gè)非常重要的分支那就是薄膜 材料。薄膜材料之所以成為人們研究的重點(diǎn)那是因?yàn)楸∧つ軌蚓邆涮厥獾牟牧?性能，它能夠沉積在體材料表面改變其表面性質(zhì)。隨著制備技術(shù)和條件的不斷 提高，幾乎所有的材料都能被制成薄膜。目前，人們對(duì)薄膜材料的研究正在向 多種類、高性能、新工藝等方面發(fā)展，其基礎(chǔ)研究也在向分子層次、納米尺度、 原子層次等方向深入。特別在寬禁帶半導(dǎo)體薄膜、納米薄膜、超晶格和量子阱 薄膜、介質(zhì)膜和巨磁阻薄膜等方面的發(fā)展更加突出。 最近研究表明氮化物半導(dǎo)體是很有希望被用作光電器件( 包括發(fā)光器件和 敏感器件) ，高功率和高溫電子器件的材料n q 3 。a i n 具有6 2 8 e v 的直接帶隙h 1 ， 使得其在紫外光范圍具有透光窗口，如果進(jìn)行摻雜還可能得到在紫外光范圍內(nèi) 發(fā)光的光電器件。它具有較高的非線性光學(xué)極化效應(yīng)哺1 ，能夠作為二階諧波發(fā) 生器。a 1 n 的表面聲波速度( 縱波速為v 。= 1 1 1 2 k m s 舊) 是所有發(fā)表的材料當(dāng)中 最高的，同時(shí)具有很高的機(jī)電藕合系數(shù)( 達(dá)到l 盯3 ) 。a i n 有許多十分有用的機(jī) 械和電學(xué)性質(zhì)，它具有高硬度、高熱導(dǎo)性、耐高溫、耐腐蝕，與s i 和g a a s 有合理的溫度適配性，使得a 1 n 能夠作為很好的電子封裝材料瞄1 。同時(shí)a 1 n 不受電磁輻射、電子和離子轟擊的影響，還能承受5 9 g p a 的震動(dòng)舊1 。然而優(yōu)質(zhì) a 1 n 的制備并不容易，因?yàn)閍 l 太活潑，極易與o 結(jié)合，為了得到高質(zhì)量的 a 1 n ，需要高純度的源和無(wú)氧的環(huán)境。早期對(duì)a 1 n 的一些特性的測(cè)量，如能隙、 晶格常數(shù)等，由于材料中含有0 雜質(zhì)，使得測(cè)量結(jié)果可靠性差。隨著科技的 發(fā)展，無(wú)污染的沉積環(huán)境與先進(jìn)工藝相結(jié)合使得研究人員能夠不斷提高a 1 n 的質(zhì)量，還能夠合成a i n 晶體，從而能夠可靠地測(cè)量a 1 n 的許多物理性質(zhì)。 本工作第一章和第二章對(duì)a 1 n 薄膜的性能及制備方法做了綜合性的概述； 第三章利用中頻磁控濺射技術(shù)制備a 1 n 薄膜，研究制各過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)薄 膜性質(zhì)的影響；第四章研究a 1 n 薄膜的光學(xué)特性，對(duì)其折射率和消光系數(shù)隨 波長(zhǎng)的變化進(jìn)行了深入研究；第五章研究了中頻磁控濺射制備a 1 n 薄膜的發(fā) 光特性，得到了薄膜內(nèi)含有多種雜質(zhì)缺陷，不同的雜質(zhì)存在不同的襯底中。 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 - l a 1 n 薄膜的概述 a i n 薄膜屬于一v 族化臺(tái)物絕緣材料，一般以六方晶系中的纖鋅礦結(jié)構(gòu) 存在，其晶格常數(shù)a = 0 3 1 1 4 n m ，c = 0 1 4 9 4 7 n m 。氮化鋁薄膜具有很多優(yōu)異的物 理化學(xué)性質(zhì)，如寬的帶隙，高的電阻率，高的抗擊穿電壓，高的聲傳播速率和 低的傳輸損耗，并且具有高熱導(dǎo)率，高化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及良好的光學(xué)及力學(xué) 性能，相當(dāng)大的壓電耦合常數(shù)，與s i 、g a a s 相近的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。a l n 是優(yōu)異的介電材料可用于電子器件和集成電路的封裝、介電隔離和絕緣，尤其 適用于高溫高功率器件。a i n 薄膜的另一優(yōu)越性能是其優(yōu)異的壓電和表聲波特 性。a 1 n 薄膜的聲表面波速度是所有無(wú)機(jī)非鐵電性壓電材料中最高的，幾乎 是表聲波器件常用壓電薄膜z n o 和c d s 的2 倍。這樣，采用a i n 薄膜在不減 小叉指電極寬度的情況下，就可將中心頻率提高1 倍，達(dá)到當(dāng)前通訊業(yè)發(fā)展所 需要的g h z 。可見(jiàn)a 1 n 獨(dú)特的性質(zhì)使它在機(jī)械、微電子、光學(xué)以及電子元器件、 聲表面波器件( s a w ) 制造和高頻寬帶通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景”。 1 1 1a i n 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu) a i n 是a l 和n 唯一穩(wěn)定化合物，是一v 族中能隙值( e n e r 舒b a n dg a p 約6 2 e v ) 最大的半導(dǎo)體。其晶胞是一個(gè)以鋁原子為中心，外部圍繞四個(gè)氮原 子，疊合而成的變形四面體“”，如圖11 所示。 f i 9 11 t h e q v s f 缸s n u d l 他o f a l n 圖1 1a 1 n 的晶體結(jié)構(gòu) 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 由圖中可以看到，a i n 沿c 軸方向a 1 一n 鍵長(zhǎng)為1 9 1 7 埃；其它方向a 1 n 鍵長(zhǎng)為18 8 5 埃，即n l 、n 2 、n 3 是等價(jià)的；n r a l n i 的角度為1 0 7 7 。，n l “l(fā) - 的角度為1 1 0 5 。a i n 的晶格結(jié)構(gòu)根據(jù)晶胞在沿( 1 1 1 ) 方向的堆疊順序不同 而分成兩種結(jié)構(gòu)。其中以a b a b a b 的方式堆集的纖鋅礦結(jié)構(gòu)( 如圖1 2 ) 是氮化鋁常見(jiàn)的平衡晶體結(jié)構(gòu)，纖鋅礦結(jié)構(gòu)屬空間群矗( p 6 3 眥) ，其對(duì)稱點(diǎn) 群屬六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)( w u r t z i t e ) ，晶格常數(shù)分別為鋤= 3 1 1 0 a ，= 4 9 8 0 a 。其亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)屬于立方晶系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)( z i n c - b l e n d e ) ( 如圖1 3 ) ， 晶胞在( 1 1 1 ) 方向以a b c a b c 的方式堆集而成，其晶格常數(shù)a o = 4 3 8 a 。通常 立方相的a i n 很難得到瑚1 f i g1 2 t h e c r y s t a ls t r u c t u r eo f w u r t j t e a i n 圖1 2a i n 纖鋅礦的立體結(jié)構(gòu)示意圖 西華人學(xué)碩士學(xué)位論文 f i g1 3t h ec r y s t a ls t r u c m r eo fz i n c - b l e n d e 圖1 3a i n 閃鋅礦立體結(jié)構(gòu)示意圖 為了推進(jìn)a 1 n 在光學(xué)、電子學(xué)等方面的廣泛應(yīng)用，近年來(lái)許多研究人員 利用非局域贗勢(shì)法陋、平面波法眨別、m u m n t i n 軌道線性組合法、從頭算晗釓 2 6 3 等方法對(duì)a i n 的能帶和狀態(tài)密度進(jìn)行了深入的研究。m a g u a d a l u p e 等心鍆人利 用原子軌道線性組合法和h a r t r e e f o c k 近似對(duì)a 1 n 進(jìn)行了全電子的從頭計(jì)算， 由于h a r t r e e f o c k 方法常常高估光學(xué)隙和帶寬，所以又用后密度函數(shù)( p o s t d f t ) 修正。圖1 4 和圖1 5 分別為理論計(jì)算所得到的a 1 n 的能帶結(jié)構(gòu)和總狀態(tài)密度。 表1 - 1 為a 1 n 的最小能隙( e g ) ，價(jià)帶寬度，反對(duì)稱能隙( e a ) 。對(duì)這兩種結(jié)構(gòu) 進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，它們的d n - n ( 最鄰近n 原子距離) 非常接近，分別為 3 0 7 a ( 纖鋅礦結(jié)構(gòu)) 和3 0 9 a ( 閃鋅礦結(jié)構(gòu)) 。而纖鋅礦結(jié)構(gòu)a 1 n 為直接能隙， 閃鋅礦結(jié)構(gòu)a l n 為間接能隙。 4 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 表卜1a i n 的最小能隙( e g ) ，價(jià)帶寬度，反對(duì)稱能隙( e a ) t a b l el 一1t h e e n e r g yg a pa n d v a l e n c eb a n dw i d t ha n da n t i s y m m e t r i c a le n e r g yg a po fa i n c o m p o u n d e g ( e v v a l e n c e ( e v ) v a l e n c eb a n d w i d t h ( e v ) e ( e v ) a l n ( w u n i z e )d i r e c t ( r ) u p p e r 1 0 t a l c a l5 2 55 。9 31 5 3 2 6 s 6 e x p 6 2 8 6 o o1 6 o d a i n ( z i n cb l e n d e )l n d i r e c t ( r x ) 4 2 6 5 6 3 1 5 0 】6 8 9 從圖1 4 和圖1 5 我們可以看出價(jià)帶被離子隙分為兩個(gè)子帶：上半部分子 帶主要是n 的2 p 態(tài)，而a l 的s 、p 態(tài)的貢獻(xiàn)則要小些；下半部分子帶主要是 n 的2 s 態(tài)，而a l 的s 軌道的貢獻(xiàn)則可以忽略。導(dǎo)帶底主要是a l 的s 和p 態(tài)。 ； 曼 畚 _ l o 熬蟹攀w h o m 。c ) 3 d l 5 0 偽60 4 651 3 赍f 乜需數(shù) 8 j】1 97 91 2 81 01 1 1 也戮摩o n ) 1 0 1 1 0 0 d1 0 1 l 礦 1 0 o o 1 0 2 ：； 折射睪2 1 53 52 03 42 72 3 3 1 1 3a 1 n 薄膜的制備方法 目前，大多數(shù)成膜方法都已應(yīng)用于a 1 n 薄膜的制各。其中比較成熟的主要 有化學(xué)氣相沉積法( c v d ) z 7 , z s 、反應(yīng)分子束外延法( m b e ) 啪1 、等離子體輔助化學(xué) 氣相沉積法( p a c v d ) 3 0 , 3 1 、激光化學(xué)氣相沉積法( l c v d ) m 3 、金屬有機(jī)化合物化 6 兩華人學(xué)碩七學(xué)位論文 學(xué)氣相沉積法( m o c v d ) 啪 矧、脈沖激光沉積法( p l d ) 口副、磁控反應(yīng)濺射法( m r s ) 啪1 和離子注入法( i i ) 刀等。 ( 1 )化學(xué)氣相沉積法( c v d ) 要使c v d 順利進(jìn)行，反應(yīng)的生成物除了所需要的沉積物為固態(tài)外，其余都 必須是氣態(tài)，且在沉積溫度下，反應(yīng)物必須有足夠高的蒸氣壓，基體本身的蒸 氣壓應(yīng)足夠低，沉積物本身的蒸氣壓也應(yīng)足夠低，以保證在整個(gè)沉積反應(yīng)過(guò)程 中能使其保持在加熱的基體上?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的薄膜具有以下特點(diǎn)：( 1 ) 所得的薄膜一般純度很高、很致密，而且很容易形成結(jié)晶定向好的材料。( 2 ) 能在較低的溫度下制備難熔物質(zhì)。( 3 ) 便于制備各種單質(zhì)或化合物材料以及各 種復(fù)合材料。主要缺點(diǎn)是，需要在高溫下反應(yīng)，基片溫度高，沉積速率較低， 一般每小時(shí)只有幾微米到幾百微米，使用的設(shè)備較電鍍法復(fù)雜，基體難于進(jìn)行 局部沉積，以及參加沉積反應(yīng)的源和反應(yīng)后的余氣都有一定的毒性等，因此它 的應(yīng)用不如濺射鍍膜那樣廣泛瑚3 。k a y a ，k i y o s h i 等人利用化學(xué)氣相沉積法采 用a 1 c 1 3 ，n h 3 ，h 2 ，n 2 混合氣體在寶石基體上合成c 軸取向性很好的a i n 薄膜， 氧雜質(zhì)的含量也非常讓人滿意。總的反應(yīng)式為：a 1 c 1 3 + n h 3 = a i n ( s ) + 3 h c l ( 2 ) 金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法( m o c v d ) 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積( m o c v d ) 又叫金屬有機(jī)氣相外延( m o v p e ) ，它是利用 有機(jī)金屬熱分解進(jìn)行氣相外延生長(zhǎng)的先進(jìn)技術(shù)，目前主要用于化合物半導(dǎo)體 ( i i i - v 族，i i 一族化合物) 薄膜氣相生長(zhǎng)上。a 1 n 薄膜的制備是利用氫氣把金 屬有機(jī)化合物蒸氣( 如三甲基鋁) 和氣態(tài)非金屬氫化物( n h 3 ) 送入反應(yīng)室，然后 加熱來(lái)分解化合物。總的反應(yīng)式如下a l ( c h 3 ) 3 + n h 3 = a i n + 3 c h 4 。這一方法的 優(yōu)點(diǎn)是：( 1 ) 可以控制合成原子級(jí)厚度的薄膜，即新型納米材料薄膜。( 2 ) 可制 成大面積的均勻薄膜，是典型的容易產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。( 3 ) 純凈的材料生長(zhǎng)技術(shù)， 由于它不使用液體容器及低溫生長(zhǎng)的技術(shù)，使得污染源減到了最少，比其它半 導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)的材料純度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這一方法的缺陷是缺乏實(shí)時(shí) 原位檢測(cè)生長(zhǎng)過(guò)程的技術(shù)。 ( 3 ) 等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法( p a c v d ) 由于等離子體中正離子、電子、中性分子反應(yīng)相互碰撞，可以大大降低沉 積溫度。這一方法拓寬了c v d 技術(shù)的應(yīng)用范圍口9 。有些薄膜的沉積如采用普通 7 兩華人學(xué)碩士學(xué)位論文 的c v d 方法，需要很高的溫度，在這樣的條件下往往會(huì)損壞基片，且高溫下擴(kuò)散 作用顯著，基體中的原子進(jìn)入薄膜中，使制備的薄膜質(zhì)量不高。而采用等離子 體輔助可以在較低的溫度沉積，具有沉積速率快、針孔少的特點(diǎn)，避免了薄膜 與襯底材料間發(fā)生不必要的擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)，避免薄膜或襯底材料的結(jié)構(gòu)變化 和性能惡化，并避免薄膜與襯底中出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力m 3 ，從而得到了完全符合 要求的、質(zhì)量較高的a i n 薄膜。 ( 4 ) 反應(yīng)分子束外延法 反應(yīng)分子束外延法( m b e ) 是新發(fā)展起來(lái)的外延制膜法，它是將真空蒸發(fā)鍍 膜加以改進(jìn)和提高而形成的新的成膜技術(shù)。在超高真空環(huán)境下，通過(guò)薄膜諸組 分元素的分子束流，直接噴到溫度適宜的襯底表面上，在合適條件下就能沉積 出所需的外延層。m b e 的突出優(yōu)點(diǎn)在于能生長(zhǎng)極薄的單晶膜層，并且能精確地 控制膜厚和組分與摻雜。適于制作微波、光電和多層結(jié)構(gòu)器件，從而為制作集 成光學(xué)和超大規(guī)模集成電路提供了有力手段。m b e 不需要考慮中間的化學(xué)反應(yīng)， 又不受質(zhì)量傳輸?shù)挠绊懀⑶依瞄_閉擋板( 快門) 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)和中斷的瞬時(shí) 控制。因此膜的組分和摻雜濃度可隨著源的變化而迅速調(diào)整。在所有的單晶薄 膜的技術(shù)中，m b e 的襯底溫度最低，因此有減少自摻雜的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是生長(zhǎng)速 率低，大約1 n m h 。 ( 5 ) 磁控反應(yīng)濺射法 磁控反應(yīng)濺射綜合了磁控濺射和反應(yīng)濺射的優(yōu)點(diǎn)。磁控濺射是指在與靶表 面平行的方向上施加磁場(chǎng)，利用電場(chǎng)與磁場(chǎng)正交的磁控管原理，減少電子對(duì)基 板的轟擊，實(shí)現(xiàn)高速低溫濺射。目前，磁控濺射已成為應(yīng)用最廣泛的一種濺射 沉積方法，其主要的原因是磁控濺射法的沉積速率可以比其它濺射方法高出一 個(gè)數(shù)量級(jí)。在制備a 1 n 等薄膜時(shí)，靶體燒制困難，而且沉積的薄膜往往會(huì)出現(xiàn) 氮含量偏低的情況。采用金屬鋁靶，并充入一定量的氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣解決了單 純用磁控濺射法的缺點(diǎn)。因此，磁控反應(yīng)濺射法是一種制備a i n 膜的理想方法 之一。 ( 6 ) 脈沖激光沉積法( p l d ) p l d 方法的優(yōu)點(diǎn)之一，在于當(dāng)聚集的高能量密度激光脈沖沖擊靶材表面 時(shí)，脈沖前部能量迅速氣化剝離靶材表面，靶材氣體吸收脈沖后部能量導(dǎo)致等 8 西華人學(xué)碩士學(xué)位論文 離子體化而急劇膨脹飛行沉積于基體表面。由于飛行粒子攜有巨大的動(dòng)能，能 夠提供自身遷徙的需要，所以要求的基片溫度較低，利于制備較理想的a 1 n 薄膜。但是過(guò)程中由于氣化膨脹產(chǎn)生的反沖力對(duì)一部分熔融靶材的沖擊，導(dǎo)致 一些熔融的液滴濺射飛行沉積于基底，對(duì)膜的質(zhì)量有一定的損害。 ( 7 ) 激光化學(xué)氣相沉積法( l c v d ) l c v d 方法是采用激光作為輔助的激發(fā)手段，促進(jìn)或控制c v d 過(guò)程進(jìn)行的 一種薄膜沉積技術(shù)。激光在薄膜的制備過(guò)程中有兩個(gè)作用：( 1 ) 熱作用：利用 激光所提供的能量對(duì)襯底進(jìn)行加熱，從而使襯底達(dá)到一定的溫度，促進(jìn)其表面 的化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行以及提供表面粒子遷移所需要的能量，達(dá)到化學(xué)氣相沉積的 目的。( 2 ) 光作用：高能量的光子可以直接促進(jìn)a i c l 3 或a 1 b r 3 、n h 3 等氣體分 子分解為活性化學(xué)基團(tuán)。因此，有效地降低了普通c v d 過(guò)程中的襯底溫度。 ( 8 ) 粒子注入法( i i ) 粒子注入成膜法是用大量的離子注入基片成膜。當(dāng)注入的氮?dú)怏w離子濃度 達(dá)到非常大，以至接近鋁基片物質(zhì)的原子密度時(shí)，由于受到鋁基片物質(zhì)本身固 溶度的限制，將過(guò)剩的鋁原子析出。這時(shí)注入離子將和鋁基片原子發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)，形成氮化鋁薄膜。這種成膜方法可以在低溫下進(jìn)行，所成的薄膜質(zhì)量很好。 1 1 4a 1 n 薄膜的應(yīng)用前景和發(fā)展方向 氮化鋁薄膜性能的特殊性和優(yōu)異性決定了其在多方面的應(yīng)用。氮化鋁薄膜 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用作為電子器件和集成電路的封裝中隔離介質(zhì)和絕緣材料；作為 l e d 工程中最為矚目的藍(lán)光、紫外發(fā)光材料，被人們大量的研究；氮化鋁薄膜 還是一種優(yōu)秀的熱釋電材料；而用于氮化鎵與碳化硅等材料外延生長(zhǎng)的過(guò)渡 層，s o i 材料的絕緣埋層以及g h z 級(jí)聲表面波器件壓電薄膜則是氮化鋁薄膜今 后具有競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用方向。 ( 1 ) 過(guò)渡層 作為重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，氧化鋅( z n o ) 、氮化鎵( g a n ) 與碳化 硅( s i c ) 都是目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。由于和藍(lán)寶石、硅的晶格失配度過(guò)大， 直接在這兩種襯底上生長(zhǎng)的z n o 、g a n 和s i c 薄膜質(zhì)量較差，很難達(dá)到器件 工藝要求。i a k a s a k i h 報(bào)道了用氮化鋁作為緩沖層能顯著提高g a n 薄膜外延 9 西華大學(xué)碩十學(xué)位論文 質(zhì)量，電學(xué)和光學(xué)性能也有明顯改善。a 1 n 和z n 0 晶格結(jié)構(gòu)相同，晶格失配 度小，熱膨脹系數(shù)相差不大，因此，a 1 n 薄膜是制備z n o 薄膜的最合適的緩 沖層。a i n 與g a n 晶格失配度小，且可形成連續(xù)固溶度的固溶體g a 。a i l 找n ( x 在0 1 問(wèn)變化) ，其禁帶寬度e g 可隨之在3 4 - 一6 2 e v 間變化。因此，可根據(jù) 器件需要確定x 值，制備出合適的固溶體材料。因此g a l a l l x n 是短波長(zhǎng)光電 子學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)選材料。在此基礎(chǔ)上可研制具有更優(yōu)異性能的g a n g a 。a 1 1 x n 異 質(zhì)結(jié)。d g z h a o h 2 3 等人發(fā)現(xiàn)：用作過(guò)渡層的a 1 n 薄膜經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間退火并且當(dāng) 其具有理想的厚度時(shí)可以促進(jìn)g a n 的島狀生長(zhǎng)和小島聯(lián)并；g a n 的質(zhì)量取決 于a 1 n 薄膜的表面形貌，特別是a 1 n 的晶粒大小和形核密度。a i n 與s i c 的 晶格失配小于1 ，并且二者可以以任意組分互溶。顯然，將a 1 n 用于s i c 延 過(guò)渡層，外延質(zhì)量可明顯提高。 ( 2 ) s o i 材料的絕緣埋層 s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 器件具有高速、功耗小及抗輻照等突出優(yōu)點(diǎn)，并 且是未來(lái)三維集成電路的基礎(chǔ)。因而，s o i 技術(shù)被視為二十一世紀(jì)的硅集成電 路技術(shù)。目前，s o i 材料制備技術(shù)采用s i 0 2 作為埋層，但由于s i 0 2 導(dǎo)熱性極 差，限制了s o i 技術(shù)在高溫與大功耗情況下的應(yīng)用。顯然，用另外一種導(dǎo)熱 性能更好且與硅襯底能較好匹配材料代替s i 0 2 可以進(jìn)一步提高s o l 技術(shù)的應(yīng) 用范圍，使得在不提高s o i 器件溫度的前提下，可允許器件的功耗增大。由 于氮化鋁具有較高的介電常數(shù)以及氮化鋁與s i 具有良好的兼容性使其成為取 代s i 0 2 的首選材料。s b e n g t s s o n h 3 3 等人用在s i 襯底上通過(guò)反應(yīng)磁控濺射沉積 a 1 n 薄膜和另一硅薄膜，首次用b e s o i 技術(shù)制成功用a 1 n 作埋層的s o i 新結(jié) 構(gòu)，為制作新型s o i 結(jié)構(gòu)材料和拓寬s o i 技術(shù)應(yīng)用范圍開辟一條新路。另外， 由于s i c 器件的出現(xiàn)，a 1 n 薄膜突出的導(dǎo)熱絕緣性能使得s i c a 1 n 結(jié)構(gòu)也成為 s i c o i ( s i co ni n s u l s t o r ) 的一種形式，是一種新型s o i 材料h 4 j 。 ( 3 ) 聲表面波器件( s a w ) 用壓電薄膜 s a w ( s u f a c ea c o u s t i cw a v e ) 器件是利用材料的壓電特