激光MBE生长BN和AIN薄膜材料及光电性质研究

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包括AlN,BN,GaN和AlGaN在内的Ⅲ-Ⅴ族半导体具有较宽的直接带隙,在紫外光源和探测器方面的有着很好应用前景,同时它们都具有出色的物理化学性能,因而吸引了越来越多的科研工作者的关注。本文基于对L—MBE成膜过程的分析,明确了影响薄膜结晶的主要的参数;通过优化实验条件,成功制备了h-BN和AlN薄膜。并通过XRD、Raman、FTIR、SEM、EDS、XPS、UV-V-NIR、I-V及电阻率测量等对薄膜结构、形貌、光学及电学性质进行了的表征,研究了衬底温度、氮气压强、激光能量和本底真空等对薄膜光电性质的影响。取得了一些有意义的结果,主要结果如下:   l、对L-MBE的成膜过程进行了细致的分析,发现激光的能量密度、脉冲宽度和环境气压共同决定了等离子体到达衬底表面的平均动能,从而和衬底温度等参数一起决定了薄膜的质量。   2、用L—MBE在不同的衬底温度、激光脉冲能量和氮气压强下制备了BN薄膜,通过FFIR表征,薄膜均为纯相的六方结构。薄膜的结晶状况随着温度的升高、激光脉冲能量的增大而变好。Raman表征结果发现,在700℃、600mJ/pulse、氮气压强2×10—2Pa条件下制备的薄膜有明显的h—BN特征峰,表明薄膜具有一定的结晶度,通过XPS的表征结果发现其N/B比为0.958,接近化学计量比。   3、在本底真空为5×10—6Pa不通入氮气的条件下,300mJ/pulse,不同的衬底温度条件下了制备了AlN薄膜。XRD表征发现低于600℃时,AlN薄膜是(002)择优取向;高于此温度时,薄膜为多晶。而且衬底的衍射峰只有在温度超过300℃时才逐步出现。同时通过反射谱和吸收谱发现,当温度小于300℃时,薄膜具有金属性。由此推断薄膜中含有金属Al。通过对薄膜电阻率的测量验证了这一推断。   4、在250℃,300mJ/pulse,不同的氮气压强下制备了AlN薄膜。XRD表征发现低2×10—4pa下薄膜的结晶最优,高于2×10—2pa时薄膜变为非晶。衬底峰只有在2×10—2pa时出现了。对薄膜的电阻率测量发现,其电阻率随着气压的上升而增大,这说明氮气对薄膜的氮损失有一定的补充,但是由于产生了碰撞而是等离子体速度变低,从而导致了薄膜的非晶结构。光学性能的表征也与以上分析相符。   5、在700℃的衬底温度下,500mJ/pulse,不同的氮气压强下制备了AlN薄膜。XRD表征发现在2×10—2pa下沉积的薄膜结晶良好,为(002)择优取向,但发现有Al的峰出现;1Pa下沉积的薄膜结晶最优,有很好的(002)取向度;10Pa下沉积的薄膜呈现出非晶结构。SEM表征发现2×10—2pa时薄膜表面有很多颗粒,对同一区域进行了EDS测试发现,颗粒所在位置富铝但贫氮,结合XRD分析结果认为这些颗粒是金属铝颗粒。电阻率的测量发现,2×10—2pa下沉积的薄膜导电,电阻率约为9×10—1Ω·cm,高于1Pa沉积的薄膜为绝缘体。通过渗流理论简单解释了薄膜导电的机理。通过透射谱发现,Al颗粒的出现影响了薄膜的透光性。然而光学带隙的计算发现,并没有变化,结合XRD的结果可以推断,低气压下沉积的薄膜中有金属Al的出现,它的存在影响了薄膜的光电性质,但并没有破坏薄膜的结构。
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