磁控溅射制备AIInN及其性质研究

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Ⅲ-Ⅴ族半导体材料具有更宽的禁带宽度,更高的发光效率、量子效率、抗辐射能力等优越性质,同时,它们还具有耐高温,耐酸碱的特性,被广泛的应用在高效紫外激光器(LD)、发光二极管(LED)、高电子迁移率晶体管(HEMT)中。因此,有关Ⅲ-Ⅴ半导体材料的研究逐渐进入了人们的视野。在众多Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中,Al1-xInxN材料作为一种新型的三元合金化合物,更是成为研究人员关注的焦点。  Al1-xInxN晶格结构与其他Ⅴ/Ⅲ族氮化物相同,是六方相纤锌矿结构。随着薄膜中Al组分的不同,禁带宽度也会随着变化,它的发光波长范围很宽,能一直从紫外到红外。但在实际的制备过程中,AlN的生长需要高温和低的Ⅴ-Ⅲ族流量比,而InN则需要低温和高的Ⅴ-Ⅲ族流量比,且它在高温下会发生分解,此外,它们在晶格常数和热稳定性方面也有很大差异,这使得很难生长出高结晶质量的Al1-xInxN薄膜。在本实验中,我们使用PEMOCVD生长AlN薄膜,使用磁控溅射生长Al1-xInxN薄膜,并探究了不同制备条件对薄膜结构、薄膜成分、表面形貌和光学等性质的影响。  本论文的研究工作及研究结果如下:  1.使用PEMOCVD方法,用高纯三甲基铝[Al(CH3)3](纯度为99.9999%)为铝源,高纯NH3(纯度为99.9999%)为氮源,高纯N2(纯度为99.9999%)为载气,使用蓝宝石(0001)作为衬底,生长温度为700℃~900℃,反应室压强为2.5Torr,氨气与铝源的流量比为200/1~1000/1,制备了一系列AlN薄膜。通过XRD、SEM、AFM和透射谱探讨薄膜的性质,得出使用PEMOCVD制备AlN的最优生长条件是:生长温度为800℃、Ⅴ/Ⅲ族流量比为1000/1。同MOCVD系统中制备的AlN薄膜相比,使用PEMOCVD可以有效的降低薄膜的生长温度,并能抑制寄生反应。  2.采用磁控溅射方法,以Al、In原子比分别为8∶2和2∶8的靶材进行实验,采用石英作为衬底,工作气体是高纯氩气(纯度为99.9999%)和高纯氮气(纯度为99.9999%),制备了5组样品,通过测试发现,温度和压强的升高都会导致薄膜中In含量的下降,这可能是因为高温下In原子的并入效率下降;高压时In原子更频繁地发生碰撞,到达衬底的In原子减少,导致薄膜中In原子含量下降。此外,我们使用Al2In8靶材,研究了不同N2与Ar的流量比对薄膜的影响,结果表明,N2比例的提高能够增加氮原子与金属原子的反应几率,但在纯氮气条件下,靶面可能形成氮化物,会影响薄膜的后续沉积。
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