宽禁带半导体薄膜的制备与特性

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1、吉林大学硕士学位论文摘要宽禁带半导体薄膜的制备与特性作者殷红导师赵永年教授!归-吉林大学硕士学位论文摘要本论文工作主要是用射频反应磁控溅射方法制备二氧化钦、氮化铝和氮化硼薄膜，在实验的过程当中进行了仪器的改造，并研究了这三种半导体材料的性质。二氧化钦、氮化铝和氮化硼都属于宽禁带半导体.由于二氧化钦薄膜具有高折射率、高介电常数、宽的禁带宽度(Eg=3.2eV)、半导体特性和高化学稳定性等优异性能，因而它具有广泛的光学和电子学的应用，它在光催化、太阳能电池等许多方面都有着重要的应用。二氧化钦M02)主要有板钦矿(brookite)、金红石(rutil

2、e)和锐钦矿(anatase)三种晶型，其中金红石和锐钦矿Ti02应用较为广泛，本论文也主要是针对这两种晶型进行研究。氮化铝(AIN)的禁带宽度大(6.2eV)、密度高、热导率大、热膨胀系数小、体电阻大。它的硬度接近石英的硬度，化学性质稳定，具有良好的声学性质。因此，AIN薄膜是一种很有应用前景的材料，可用做微电器件、光学器件，如集成电路的钝化层和介电层，短波长发射器件和表面波器件。AIN薄膜由于这些优良的机械和电子性能而引起国际上广泛研究。本论文主要是利用射频磁控溅射方法研究铅锌矿AIN薄膜的沉积和制备基底一AIN复合材料来检测其二极层厚度以内

3、的性能。立方氮化硼(cBN)具有闪锌矿结构，其硬度仅次于金刚石。它的摩擦系数很小，而且化学稳定性很好，适合于作刀具的特别是加工铁基合金的刀具的涂层，这是因为它不象金刚石那样与铁有较强的亲和力。另外，由于它具有很宽的禁带宽度(Eg-6.4eV),高的热导率(13Wcm"'K"')，既能掺杂成n型半导体，又能掺杂成P型半导体，所以在电子应用方面很有前景。用它制成的发光二极管可发出波长在紫外区的光(215nm,5.8eV).立方氮化硼(cBN)薄膜由于这些优良的机械和电子性能而引起国际上广泛研究。本论文的主要工作就是利用射频磁控溅射方法分别制备这三种宽

4、禁带半导体薄膜材料。其中，我们利用常规的射频磁控溅射方法制备吉林大学硕士学位论文了TiO:和AIN薄膜，而。BN薄膜则是采用改进的磁控溅射方法来制备的。下面，将分别介绍三种宽禁带半导体的研究情况。首先制备了Ti02薄膜，用Raman光谱研究了二极层厚度以内及附近不同厚度薄膜相结构的变化，发现:(1)薄膜的Raman吸收峰与体材料的吸收峰有一定的偏移，这是纳米尺寸效应的作用;(2)在工作气压为1Pa时，相结构为金红石结构，随着薄膜厚度的增加，样品的相结构没有发生变化;但在2Pa时，Ti氏在NiMnC。和Si基底上均随着厚度的增加从金红石相变化到锐钦

5、矿相。然后，我们研究了在二极层厚度以内Ti02薄膜的电学性质。发现了:(1)NiMnC。基底上的二氧化钦薄膜随着厚度的变化发生了一个从良导体到半导体到绝缘体的转变，到达二极层厚度以外，薄膜就变成了绝缘体。(2)而在高掺杂Si基底上时，二氧化钦薄膜随着厚度的变化经历了由半导体到绝缘体的转变。最后，我们研究了纳米Ti02薄膜的吸收光谱，发现了二极层厚度以内的Ti02的吸收由紫外区转移到了可见区，这是由功函数差造成的界面电子转移引起的，这一特性可能在新型太阳能电池的开发中具有重要意义。用磁控溅射设备制备了AIN薄膜。通过研究发现，在溅射气压为1Pa，氮

6、气含量20%,溅射功率为80W时，AIN薄膜生长均匀、缓慢，各个沉积参数才能得到准确控制。通过分析，AIN薄膜里晶粒的取向为(100)和(110)。制备TNiMnCo-AIN.AI-AIN,轻掺杂Si(100)-AIN、重掺杂Si(100)-AIN复合材料。电学性质表明:(1)NiMnCo-AIN和AI-AIN复合材料薄膜表面的性质经历一个由导体向半导体向绝缘体的转变;而NiMnCo-AIN的二极层厚度要比Al-AIN的二极层厚度小;(2)对于轻掺杂Si(100)-AIN和重掺杂Si(100)-AIN来说，它们的薄膜经历一个由半导体向绝缘体的转变

7、过程;而轻掺杂Si(100)-AIN要比重掺杂Si(100)-AIN的二极层厚度要小。最后，通过FTIR来研究c-BN薄膜的内应力，并且通过改进实验设备来降低c-BN薄膜的内应力。红外光谱表明，基底负偏压越高，内应力越高，红外吸收峰位就越高。在传统的磁控溅射设备上制备了c-BN薄膜。其红外吸收峰位是1032cm'l，比文献通常报道的吉林大学硕士学位论文1050-1100cm-’要低大约20cm'l，这说明了传统设备制备的c-BN薄膜内应力比较低。利用正偏压制备的薄膜样品表明，其红外吸收峰位为1004.7cm"，十分接近无应力状态下的理论计算值10

8、04cm"1，说明c-BN薄膜内的应力己经十分的低，接近于无应力状态。但是，在c-BN薄膜与基底之间存在一个由h-BN,w-BN和E-B