（凝聚态物理专业论文）脉冲激光沉积制备不同择优取向的a1n薄膜的研究.pdf

摘要 由于氮化铝a l n 薄膜具有稳定的物理性质和化学性质、机械强度高、绝缘性 能又好、直接带隙宽、热传导率高、低热膨胀系数等特点，广泛应用于声学表面 波器件、微电子及光学器件，有关a l n 薄膜的制备研究己引起广泛的关注和兴趣。 本文研究了用脉冲激光沉积法制备a l n 薄膜，通过优化激光能量、生长温度、环 境偏压等条件，制备了不同择优取向的a l n 薄膜，分别用x 射线衍射仪、拉曼光 谱仪、傅立叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜、x 射线光电子 谱等仪器检测了样品的结晶度、表面形貌等结构特性。 首先在不同的激光能量条件下，在p s i ( 1 0 0 ) 衬底上制备了( 1 1 0 ) 择优取向 的a l n 薄膜，通过用x 射线衍射仪、拉曼光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪、原子 力显微镜、扫描电子显微镜、x 射线光电子谱等仪器对样品进行了检测，结果表 明激光能量为6 0 0 m j p u l s 时，所制备的a l n 薄膜结晶最好，表面择优取向也最好， 面内表现为各向同性，不是外延生长。 其次选择激光能量为6 0 0 i n j p 1 j l s ，改变衬底温度，结果表明当温度为6 0 0 时， a l n 薄膜是( 1 1 0 ) 方向择优取向；当温度小于4 0 0 时，a 1 n 薄膜不再是( 1 1 0 ) 方向择优取向，而是( 0 0 2 ) 方向择优取向，当衬底温度为2 5 0 时a l n 薄膜的( 0 0 2 ) 方向择优取向最强，并且用石英和兰宝石衬底上同样条件下也可以生长成( 0 0 2 ) 方向择优取向的a l n 薄膜。 最后制备a l n 薄膜用不同的环境偏压，结果表明当n 2 偏压大于2 x1 酽p a 时， 所制备的a l n 薄膜不结晶，只有在高真空条件下才能制备出择优取向的a 1 n 薄膜。 本文讨论研究了在不同条件下制备不同择优取向的舢n 薄膜，通过研究表明 用脉冲激光沉积法制备a l n 薄膜最重要的条件为：a l n 等离子体( 羽辉) 的动能 大小决定了结晶度及择优取向，动能越大，结晶度越高，动能越小，越不利于结 晶。通过本论文的研究可分别制备出( 1 1 0 ) 和( 0 0 2 ) 择优取向的a l n 薄膜。为 下一步的应用研究提供有力保障。 a b s n l a c t a l n“nf i l mi s e x t e n s i v e l ya p p l i e d i i la c o u s t i cs ：u r f - a c ew a v e d e v i c e s ， m i c r o e l e c 臼o n i c sa i l do p t i c a ld e v i c e sd u et oi t ss t a b l ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e n i e s ， h i g hm e c h a n i c a ls t r e n g t l l ，s o u n di n s u l a t i o i l ，w i d ed i r e c tb a l l dg a p ，h i g ht h e m a l c o n d u c t i v i 够，l o wt h e n l l a le x p a n s i o nc o e f j e i c i e n t ，e t c p r e p a r a t i o n o fa l nf i l mh a s a r o u s e d 嘶d e s p r e a dc o n c e ma n di m e r e s t f i r s t l y ，i n t t l i sp 印e ra l nt t l i nf i l m s 诵t hd i 艉r e n tp r e f e r r e d 耐e n t a t i o nw e r e p r e p a r e db yp u l s e d1 2 l s e rd e p o s i t i o nb yo p t i m i z i n gm el a s e re n e r g y ，g r o w t l lt e m p e m t u r e ， e n v i r o 姗e n t a lb i a sc o n d i t i o n s x - r a yd i f h a c t i o n ，r a m a ns p e c 仃o s c o p y ， f o 耐e r 协m s f o 加i n f r a r e d s p e c 缸0 s c o p y ，s c 锄i n g e l e c 昀n m i c r o s c o p y ， a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p y ，x - r a yp h o t o e l e c t l o ns p e c 协o s c o p ya n do t l l e re q u i p m e n tw a su s e dt od e t e c t t h ec 巧s t a l l i z a t i o n ，s u 施c em o 印h o l o 斟a i l do t l l e rs n 佻仙mf e a t u r e so fs 觚l p l e s 1 1 1 e r e s u l t ss h o w e dm a tw h e nt h el a s e re n e r g yi s6 0 0 m j p u l s ，a l nm i n 同m sh a v et h eb e s t c r ) ，s t a l l i r l i 够a i l dp r e f e r r e d o r i e n t a t i o no ft h es u r f 砬e t h e ya l s 01 1 a et l l eb e s t p e d 、0 册a i l c ef o rt l l ei s o 仃o p i cp l a n e ，n o tt h e 印i t a x i a lg r o w m s e c o n d l y ，s e l e c t 吐l el a s e re n e r g y6 0 0 砌p u l s ，c h a n g et l l es u b s 仃a t et 锄p e r a t u r e ，t l l e r e s u l t ss h o w l a ：tw h e nt h et e m p e 劬】r ei sa t6 0 0 ，a l nf i l m sa r e ( 1 1 0 ) p r e f e r r e d o r i e n t a t i o nd i r e c t i o n ；w h e nn l et e m p e r a t u r ei s1 e s st h a n4 0 0 ，a i nf i l mi si l o1 0 n g e r ( 1 1o ) d i r e c t i o np r e f e n e do r i e n t a t i o n ，b u t ( 0 0 2 ) p r e f e 盯e do r i e n t a t i o nd i r e c t i o 玛w h e nt l l e s u b s t r a t et e m p e r a n j r ei s2 5 0 ，( 0 0 2 ) p r e f e 仃e do r i e n t a t i o nd i r e c t i o no fa l nt h i nf i l m si s t 1 1 es t r o n g e s t ，a l nt h i nf i l m s 谢t h ( 0 0 2 ) p r e f e r r e do r i e n t a t i o nd i r e c t i o no nq u a 舵觚d s 印p l l i r es u b s 仃a t e sa l s oc a n b eg r o 、 ，i lu i l d e rt l l es 锄ec o n d i t i o n s l a s t ，a l nt h i i lj c i l m sw e r ep r e p a r e d 谢t 1 1d i 虢r e me n v i r o 姗e n t a lb i a s ，t l l er e s u l t s s h o wt l l a tw h e nt h eb i a so f t l l en 2p r e s s u r ei sk g h e rm a i l2 1 0 4 p aa n qf i l mc a n t c 巧刚i z e o n l yu n d e rl l i g hv a c l n 】mc o n d i t i o i l s 刖【nf i l m s 诹也p r e f e r e n t i a lo d e n t a t i o n c a n b e p r 印a r e d t 王1 i sp a p e rd i s c u s s e da l l d 咖d i e da l nf i l m s 晰t hd i 腩r e n tp r e f e 玎e do r i e n t a l i o n t h es t u d ys h o w e dt 1 1 砒m o s ti m p o r t a i l tc o n d i t i o i l sf o ra l nf i l mb yp l di sa sf o l l o 、v s ： m ek i n e t i ce n e r g yo fa l nd e t e m i n e st h es i z eo fc r y s t a l l i n i t ) ，a i l dp r e f e r r e do r i e n t a t i o n ， w h e nt l l el 【i n e t i ce n e r g yi sg r e a t e r ，t h ec 巧s t a l l i m t ) ri st h ei l i 曲e r t h es m a l l eh n e t i c e n e r g ) ri sn o tc o n d u c i v et om ec r y s t a l l i z a t i o n t h r o u g hs t u d yi nm ep 印e r ，a l nt h i n f i l m s 谢t l l ( 110 ) a i l d ( 0 0 2 ) p r e f e r r e do r i e m a t i o nc a nb ep r e p a r e da r l dp r o v i d e das 缸l o n g 酊删删e ef o rt h ef 蛐e r 印p l i c a t i o n i n 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位申请人( 学位论文作者) 签名： 2 0年月 日 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南犬学审核批准授予硕士学位。作为学住论文的作者，本人完全 了解并同意河南大学有关保留、使用学位论文的要求，即河南大学有权向国家 图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 甄质文 本和电子文本) 以供公众检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等目的，可以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 签名： 2 0年 月 日 学位论文指导教师签名： 2 0年月 日 第一章绪论 1 1 研究氮化铝( a l n ) 薄膜的意义 材料、信息技术与能源称为现代人类文明的三大支柱，而薄膜材料由于其优 异的性能，广泛应用于信息、光电子、微电子、军事等高科技领域。随着电子元 器件向轻、薄、短、小、高性能方向发展，芯片向高集成度、高频率、超多i o 端 子数向向发展，迫切需要提高封装密度，其中包括：封装的端子数越来越多；端 子节距越来越小；封装厚度越来越薄，封装基板上所占的面积越来越大，因此封 装材料的介电常数、热膨胀系数、热导率、耐热特性、阻燃特性、放射性元素含 量及环保等特性等都提出了越来越高的要求，薄膜材料变充当了极其重要的角色。 在制备使用薄膜材料过程中，对于不同的用途，薄膜的扩散率、热导率和导 电率等物理参数都显得非常重要，由于量子效应和巨大的表面和界面效应，在微 纳米尺度范围内的传热规律常常明显不同于常规尺度下的传热规率。随着半导体 工业的迅猛发展，在半导体电子工业中为解决大规模集成电路( l s i ) 和超大规模 集成电路( v l s i ) 的散热问题，就要找到一种同时具有高导热、高绝缘的新材料。 氮化铝薄膜具有优良的导热，绝缘性能好，是一种性能突出的导热绝缘薄膜，可 以用在l s i 上 1 】。同时其透光率很高，可以用在光学产品的发光面上，也是大功 率l e d 的封装的一种优秀的散热材料 2 】。1 9 4 7 年，美国贝尔实验室发明了半导体 点接触式晶体管，从而开创了人类的硅文明时代。1 9 6 1 年，半导体激光概念提出， 即半导体的p n 结中的电子与空穴复合，产生受激辐射激光，其波长由半导体材料 的带隙决定，对传统的半导体激光器而言，只有直接带隙的半导体材料才可能实 现激发，1 9 6 2 年，第一批以g a a s 材料做成的半导体激光器问世，揭开了化合物 半导体特别是i 一v 族氮化物半导体材料发展史上崭新的一页。诸如g a n 、g a a s 、 i n n 、h 巾、b n 、a l n 等氮化物半导体材料受到了广泛的关注，这些材料的带隙较 脉冲激光沉积制备年l 碰障忧取向的a i n 薄膜的研究 宽，光电性能优异t 在蓝光发射和紫外波长激光器等相关领域有应用前景【3 5 】。 且前a l n 薄膜的应用还处于初期阶段，对其性质和性能的研究还不太成熟， 其研究待开发的领域还很广阔。本文对用脉冲激光沉积制各不同择优取向的a l n 薄膜进行了研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1a l n 晶体概况 自1 8 6 2 年氮化铝首次被合成以来，对其研究大致分为三个阶段。在2 0 世纪 初，仅用作固氮中间体。2 0 世纪5 0 年代后，氮化铝陶瓷作一种新材料进行研究， 侧重于将其作为结构材料应用。近几年来，由于氮化铝陶瓷的高热导率，具有与 硅相匹配的线膨胀系数、无毒、密度低、高介电常数、绝缘性好、比强度高等优 点，而成为微电子工业中电路基板、封装的理想材料，也有人称它为新一代的信 息材料。氮化铝薄膜的研究也方兴未艾。 在m v 族化合物半导体材料中，a l n 的带隙( e n e g y b 神dg a p ) 晟宽( 62 e v ) ， 并具有直接带隙。其晶体结构有六方和立方两种，其中立方晶系的闪锌矿结构 ( z i n c - b l e n d e ) ，品格常数为a 0 _ 0 4 3 8 n m ，只有在超高压或薄膜生长条件下才能 获得，通常很难得到。常见的氮化铝为六方纤锌矿结构，如图1 1 所示。 曙塞 第一苹绪论 图1 1 氮化铝钎锌矿结构及氮化铝的晶胞结构 六方纤锌矿结构的氮化铝晶格常数a = o 3 1 1 0 m ，c = o 4 9 8 l m n 。从氮化铝晶胞结 构图中可以看出氮化铝沿c 轴方向的舢n 键长为0 1 9 1 7 m ；其它方向的n 键 长为0 1 8 8 5 m ，即n l 、n 2 、n 3 是等价的：n 0 a l - n 1 的角度为1 0 7 7 0 ，n 1 a l - n 2 的角度为1 1 0 5 0 。a l n 的晶格结构根据晶胞在沿( 1 1 1 ) 方向以a b a b a b 的方式 堆集的纤锌矿结构是氮化铝常见的平衡晶体结构。空间群为c 4 6 。( p 6 3 m c ) 【6 】。 1 2 2 氮化铝的性能及用途 氮化铝为直接带隙6 2 e v ，理论密度为3 2 6 9 c m 3 ，热导率高( 3 2 0 w i i l 。1 k 。1 ) ， 硬度大( 莫氏硬度为7 8 ) ，熔点高( 2 7 0 0 0 c ) ，化学稳定性高，击穿场强大 ( 1 4 k v 瑚瞰) ，具有良好的电绝缘性，机电耦合系数高( k - 0 2 ) 。热膨胀系数与 s i 、g a n 、g a a s 等常用半导体材料相近，易与兼容。沿c 轴取向的a 1 n 具有非常 好的压电性和声表面波高速传播性能，速度达11 3 k 州s ，是所有无机非铁性材料 中最高的，几乎是常用压电薄膜材料z n o 和c d s 的3 倍 7 1 5 】。氮化铝与其它常 用半导体电子材料相比如表1 1 【1 6 】所示，可更清晰地看到其优异的特性。针对氮 化铝的特性，可以用做不同的用途，见表1 2 9 、1 0 、1 l 、1 7 】。 n 竺 k 酞s ig a a sg 搏 3 e s i c6 h s i cs i 。2z n o参数、 禁带宽度( e 6 21 1 21 4 33 42 22 993 3 热膨胀系数( 1o 石k 。1 ) 4 52 65 95 64 74 8 0 54 7 5 密度g c o ) 3 2 62 2 35 3 26 0 93 23 22 2 75 6 8 击穿场强( 1 0 孓w c m ) 1 4 0 20 5 1 0 3 4 1 30 4 热导率w ，( c m k ) 31 50 4 61 35500 1 40 0 0 6 介电常数 8 51 1 91 2 81 1 19 71 03 97 9 电阻率( q c m ) 1 0 1 31 0 0 01 0 81 0 1 01 5 01 0 1 4 1 0 4 1 0 恐 折射率 21 53 53 42 3 32 72 714 62 2 脉冲激光沉积制备不同择优取向的a l n 薄膜的研究 表1 2 氮化铝特性及用途 氮化铝特性用途 是重要的蓝光、紫光发光材料，与g a n 、i n n 等重要发光材料形成固溶体实现由红光到 直接带隙半导体，禁带宽度 紫外的全色显示。可见光和红外光学透射率 6 2 e v 高，广泛应用于微电子和光电器件，紫外激 光器等 用在功率器件、s o i 材料的应用，可以替代 热导率高、熔点高、绝缘性好、 常规的以s i 0 2 作为s o i 的绝缘层，用作大 化学性稳定 功率器件的基板 声表面波传播速度6 2 k “s 、压是g h z 级声表面波器件的优选压电材料 电特性优良 硬度高、耐磨性好、耐腐蚀、热电偶保护管、加热管套管等器件 耐冲刷、热导率高 1 2 3 氮化铝薄膜的制备方法 由于氮化铝固有的熔点高，硬度大，属于氮化物，所以氮化铝薄膜的制备方 法受到一定条件的制约，但综合来看，制备氮化铝薄膜拜的方法还是很多的，比 较成熟的主要有化学气相沉积法( c v d ) 、金属有机化合物化学气相沉积法 ( m o c v d ) 1 8 】、分子束外延法( m b e ) 1 9 】、脉冲激光沉积法( p l d ) 【2 0 】、磁控反应溅 射法( m r s ) 1 6 ，2 1 】，用离子反应镀法 2 2 】，每种方法各有利弊，相比之下，脉冲激 光沉积具有反应温度低，膜厚易控，成薄质量高等优点。 4 1 2 3 1 化学气相沉积( c v d ) 第一章绪论 化学气相沉积( c v d ) 是利用气态物质在固体体表面发生化学反应而生成固 态沉积物的过程。用气体输运的方式将各种成膜材料从材料源传送到基片附近， 在高温条件下发生化学反应，沉积在基片表面，形成薄膜。沉积氮化铝的主要过 程为混合a l c l 3 ( 或a l ( c h 3 ) 3 ) 和n h 3 升温反应。 a l c l 3 一 小r h 3 旦马a n n + 3 h c lf ( 1 1 ) 秦福文等 2 3 】采用电子回旋共振等离子体增强金属有机物化学气相沉积技术， 在q a 1 2 0 3 ( o 0 0 1 ) ( 蓝宝石) 衬底上分别以高纯氮气( n 2 ) 和三甲基铝( t m a l ) 为氮源 和铝源低温生长了氮化铝薄膜。研究还表明，用这种方法在g a n 缓冲层上能低温生 长出c 轴取向的a 1 n 单晶薄膜。 用化学气相沉积制备的氮化铝薄膜一般纯度高、致密，而且很容易形成结晶定 向好的晶体，某些特殊膜层具有优异的光学、热学和电学性能。主要缺点是：反 应温度高，沉积速率较低，一般每小时只能生产几微米到几百微米，并且设备复杂， 基体难于进行局部沉积，以及参加沉积反应的源和反应后的余气都有一定的毒性 等。因此它的应用有一定的局限性。 1 2 3 2 金属氧化物化学气相沉积( m o c v d ) m o c v d 是在c v d 法的基础上改进的方法。用m o c v d 方法制备氮化铝薄膜 时一般使用三甲基铝( t m a l ) 作为源，氨气( n h 3 ) 为氮源，在载气氢气( h 2 ) 的作 用下反应并沉积在基片。用m o c v d 方法己经合成了多晶和单晶氮化铝薄膜，被 认为是一种优秀的可连续生产的制膜方法。但要求反应温度高 2 4 】，金属有机源纯 度高，设备复杂昂贵，是目前生产氮化铝薄膜的主要瓶颈。 脉冲激光沉积制各不同择优取向的川n 薄膜的研究 1 2 3 3 磁控反应溅射( m r s ) 制备氮化铝薄膜常用的技术是磁控反应溅射技术。磁控溅射( m a g n e 昀n s p 眦r i n g ) 有直流和射频两种方法。直流磁控反应溅射法是以直流为磁控溅射电 源，溅射出来的材料源原子与通入真空室的气体n 2 ( 心) 等，发生反应生成所需 化合物，从而实现薄膜生长。在直流反应磁控溅射过程中，当反应气体较少时靶 的溅射率较高，沉积的膜基本上是金属态的，所以将这种溅射状态称为金属模式。 当反应气体增加到某一个极限值时，靶的溅射速率开始迅速下降，此时沉积的膜 呈现为化合物膜，对于制备不同的化合物反应气体浓度的阈值是不同的。另外使 用直流反应磁控溅射易产生“靶中毒 现象 2 5 】，也就是随着反应气体浓度不断 增加，在靶面上也会形成了一层化合物，而由于化合物的二次电子发射系数一般 高于金属，入射离子的能量的很大一部分被用于激发和加速二次电子，相应的用 于轰击靶的能量减少很多，造成溅射率大幅降低，只有在反应气体减少更多一些 时，溅射过程才能回到金属沉积模式。因此使用直流反应磁控溅射主要制备金属 薄膜。射频反应磁控溅射和直流磁控反应溅射法不同在于其磁控溅射电源为交流 电源。所以将射频反应溅射状态称为反应模式。在交变电场中振荡的电子具有足 够高的电量产生离化碰撞，可以使放电自持，射频溅射已不需要加高电压来产生 二次粒子，更有利膜的生成。 磁控反应溅射法制备a l n 薄膜，一般情况下用高纯a 1 靶，在氩气( 缸) 和氮气 ( n 2 ) 的混合气氛下进行反应溅射，在基片上沉积氮化铝制得氮化铝薄膜。磁控 溅射制备薄膜有优点是：溅射温度低，沉积速率高，装置性能稳定，便于操作， 生产重复性好，适于大面积成膜且便宜。缺点是在基片温度低的情况下，所制得 薄膜取向性不好。 1 2 3 4 脉冲激光沉积( p l d ) 随着1 9 6 0 年第一台红宝石激光器的问世，开启了激光与物质的交互作用的全 6 第一章绪论 新领域，激光技术也相继在工业中得到了应用，由于人们发现强激光能够将固态 物质瞬间熔化并蒸发，其附近形成一个发光的等离子区，其温度估计在几千度到 一万度之间 2 6 】，人们自然想到了将蒸发的物质沉积在基片上获得薄膜，这就是激 光镀膜的概念。1 9 6 5 年，s m i m 等一次尝试用激光制备光学薄膜，但经分析发现， 这种方法类似于电子柬打靶蒸发镀膜，未显示出较大的优势，所以一直不被人们 所重视。直到1 9 8 7 年，美国b e u 实验室首次成功地利用短波长脉冲准分子激光制 备了高质量的钆钡铜氧( y b c o ) 超导薄膜 2 7 】，脉冲激光沉积技术才成为一种重 要的制膜技术受到国际上广大科研工作者的高度重视。当前，p l d 技术在铁电、 介电、巨磁阻、半导体、金属等薄膜和多种超晶格，异质结，p _ n 结等数百种薄膜 结构制备上显示出广阔的应用前景，还可用于制备纳米材料、半导体量子点等新 型微结构材料。 整个脉冲激光沉积镀膜过程通常分三个阶段：激光与靶材相互作用产生等离 子体；等离子体在空间的输运( 包括激光用用时的等温膨胀和激光结束后的绝热 膨胀) ；等离子体在基片在成核、长大形成薄膜。p l d 技术优点：对靶材复合物 材料进行全等同镀膜，保证镀膜后化学计量化的稳定；反应生长速度快；靶材容 易制备不需要加热，污染小。其缺点是难以大面积成膜。 近年来，脉冲激光沉积技术作为物理真空薄膜沉积技术得到了广泛的应用。 用p l d 技术制备氮化铝薄膜有以下两种途径：1 、用激光照射氮化铝烧结陶瓷靶， 使其加热蒸发而沉积在基片上 2 8 】；2 、在合适的n 2 或n h 3 浓度压力下用激光剥离 纯a l 靶，使粒子与真空室内的气体反应后沉积在基片上【2 9 】。 目前为至，有许多科研工作者用p l d 技术在不同的基底上制备出了非晶【3 0 、 多晶 3 l - 3 2 】、单晶a l n 薄膜 3 3 3 4 】，有的用z n o 薄膜或s i c 薄膜作缓冲层 3 5 】， 取得了一定的成果。 太原理工大学的潘俊德等 3 6 对电子浴辅助阴极电弧还原法合成a i n 薄膜做 了大量的研究工作。门传玲等 3 7 】采用结合离子注入与物理或化学沉积法的优点而 发展起来的一种新型制备技术一离子束增强沉积法，成功地合成了大面积均匀优质 脉冲激光沉积制备不同择优取向的a l n 薄膜的研究 的非晶a i n 薄膜。此外，还有很多新的制备技术正在研发中。有的还不太成熟，有 的还有一定的不足，这是我们积极研究探索的内容。 1 2 4 氮化铝薄膜的应用前景和发展方向 a l n 薄膜优异的电学、光学及力学性能决定它的多方面应用。氮化铝薄膜已 经被广泛应用作为电子器件和集成电路的封装中隔离介质和绝缘材料；作为l e d 中最为瞩目的蓝光、紫外发光材料，正在成为研究热点；g h z 级声表面波器件压 电薄膜则是氮化铝薄膜较有应前景的方向。 l 、s o i 材料的绝缘埋层 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 材料是2 1 世纪超大规模集成电路主流材料，应用于抗 辐照电路、低压低功能电路和高温下的电路。目前均采用s i 0 2 作为埋层，s i 0 2 导 热性能差，限制s o i 技术在高温与大功耗情况下的应用。a l n 以其卓越的导热性能 以及与硅材料相近的热膨胀系数成为取代s i 0 2 的首选材料。 2 、蓝光紫外发光材料 a l n 可用作蓝光紫外发光材料，它的直接带隙使得其在紫外光范围具有透光窗 口，如果进行掺杂还可能得到在紫外光范围内发光的光电器件。 新加坡南洋电子科技大学研究发现了一种p s 删a u 结构二极管，如图1 2 所示，加正反向电压3 0 v ，可以发射波长为2 8 3 1 1 m 、3 8 0 m 、4 9 0 砌的光【3 8 】。为 a l n 薄膜应用在蓝紫发光上又向前推动一步。a l n 还能与g 谢形成合金砧g a n ， 从而能够制造出基于a l g a n q l n 的电子和光电学器件。这种器件在绿光波长到 紫外光波长都有效，前景十分诱人。 8 第一章绪论 皤 图1 2p s i 圳n ，a u 二极管结构示意图 3 、过渡层 在宽禁带半导体材料中，氧化锌( z n o ) 、氮化镓( g a n ) 与碳化硅( s i c ) 是研究热点。因与蓝宝石、硅的晶格失配度大，生长薄膜质量不好，达不到器件 工艺要求。用氮化铝薄膜作为缓冲层或者过渡层就能显著提高薄膜外延生长的质 量，电学和光学性能也有明显改善。 4 、声表面波器件( s a 用压电薄膜 声表面波器件s a w ( s i l 由c ea c o u s t i cw a v e ) 器件是利用材料的压电特性而制 作的一类器件，包括滤波器和延迟线等，广泛用于通讯、广播、遥控和遥测等技 术。s a w 器件的中心频率取决于声表面波在压电薄膜上的传播速度和电极宽度。 目前，声表面波器件常用压电材料是z n 0 、l i t 扣3 和“n b 0 3 ，与它们相比，a l n 沿c 轴声表面波传播速度高达1 1 3 k 耐s ，几乎是z n o 的3 倍。a 】n 压电薄膜取代 z 1 l o 薄膜制作的s a w 器件，潜力将很大、应用前景将很广阔。另外利用a l n 薄 膜的压电特性可以制成生物传感细胞附着压力传感器【3 9 】。 5 、其它应用 氮化铝薄膜还能用做栅介质、磁光记录材料、高导热率器件、声光器件、深 紫外和x m y 探测器等。目前，好多应用还不是太成熟，还需要广在科研工作者 继续研究，尚待开发应用。 脉冲激光沉积制各不同择优取向的a l n 薄膜的研究 1 3 本论文研究的目的和主要内容 1 3 1 本论文研究的目的 用脉冲激光沉积法在不同的条件下，制备出不同择优取向的氮化铝薄膜，并 且讨论不同择优取向膜的不同成膜机理，为氮化铝薄膜的进一步应用贡献力量。 1 3 2 本论文研究的主要内容 1 、研究在不同激光能量、衬底温度、环境压力等条件下沉积不同择优取的氮 化铝薄膜。 2 、对所做样品进行x 一射线衍射( m ) 、拉曼光谱( l i i l a l l ) 、傅立叶变换 红外光谱f t i r 、反射吸收光谱、原子力显微镜a f m 、扫描电子显微镜s e m ，x 射线光电子能谱仪x p s 等测试手段进行表征。 l o 第一苹绪论 参考文献 1 】b l 氓j g a 0 ，k m w u ，c l i u ，p r e p 删t i o na i l dr a p i dt h e m a l 锄e a l i n go f a l n“nf i i m s g r o w nb y m o l e c u l a rb e a m 印i t a ) 【y j ， s o l i ds t a t e c o m m u 玛 2 0 0 9 1 4 9 ：7 15 7 17 2 】陈勇，方亮，张淑芳，董建新，高岭，氮化铝薄膜改善l e d 散热性能的 研究 j 】，功能材料，2 0 0 7 ，3 8 ：3 1 4 8 3 1 5 0 【3 】亢勇，基于族氮化物材料的光电子器件技术【j 】，红外，2 0 0 0 ，1 2 ：6 1 2 【4 】白光，i i i 族氮化物异质结构工艺，性质和发光器件 j 】，激光与光电子学进 展。2 0 0 2 ，3 9 ( 7 ) ：4 2 - 4 3 5 】龚海梅，李向阳，亢勇，许金通，汤英文，李雪，张燕，赵德，杨辉， 族氮化物紫外探测器及其研究进展 j 】，激光与红外，2 0 0 5 ，3 5 ( 1 1 ) ：8 1 2 8 1 6 【6 】张玉军，张伟儒，结构陶瓷材料及其应用【m 】，北京：化学工业出版社， 2 0 0 5 【7 】r d v i s p u t e ，j n a r a y a j l ，h w u ，e ta 1 e p i t a ) 【i a lg u o w t l lo fa l nt h i nf i l m so n s i ( 111 ) s u b s t i a t e sb yp l d 【j 】j a p p l p h y s 19 9 5 ，7 7 ( 9 ) ：4 7 2 4 - 4 7 2 8 【8 】y f l uz m r e i l t c c h o n g ，e ta 1 i o n 一2 l s s i s t e dp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o no f a 心蛐lf i l m s 叨j a p p l p h y s 2 0 0 0 ，8 7 ( 3 ) ：1 5 4 0 - 1 5 4 2 【9 】a j a c q u o t ，b l e n o 也a d a u s c h e r ，p v e 聊d i ，f c r a c i u 玛m s t o l z e r ，m g 锄1 e r ，m d i n e s c u ，o p t i c a la l l dt 1 1 e m a lc 1 1 a r a c t e r i z a t i o no fa l nt h i nf i l i i l sd e p o s i t e d b yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n j 】a p p l s u r s c i 2 0 0 2 ，1 8 6 ：5 0 7 5 1 2 1o 】j m e i s c h i e i l ，f f a l kr h e r 醇e ta | d i s t i n c to r i e n t a t i o no fa l n “nf i l m s d e p o s i t e do ns 印p 1 1 i r es u b s t r a t e sb yl a s e ra b l a t i o n 【j 】a p p l p h y s a2 0 0 0 ，7 0 ：2 15 - 2 l8 1 1 】e g y o r g ) ，c 砧s t o s c u ，i n m i h a i l e s c ue ta 1 i b l eo fl a s e rp u l s e rd 眦a t i o n a n dg a sp r e s s u r ei i ld e p o s i t i o no f a l nt h i i lf i l m s 【j 2 0 0 1 ，9 0 ( 1 ) ：4 5 6 - 4 6 1 【1 2 】g w a u n e r ，f m ，v m n a i l ，m i c r o s t r u c t u i eo f l o wt e i n p e r a t u r eg r o 啪a l n t l l i i lf i l m so ns i ( 1 11 ) j 】j a p p l p h y s 1 9 9 9 ，8 5 ( 1 1 ) ：7 8 7 9 7 8 9 3 脉? 中激光沉积制各不j 司择优取向的a l n 薄膜的研究 【1 3 】z r s o n g ，y h y u ，d s s h e n ，s c z o u ，z h z h e n g ，e z l u o ，z x i e ， d i e l e c t r i cp r o p e f t i e so fa 1 n “nf i l m sf o 衄e db yi o nb e 锄e i l l l a n c e dd e p o s i t i o n j m a t e r l e t 2 0 0 3 5 7 ：4 6 4 3 4 6 4 7 【1 4 】z h a n ，c l m e n ，j c h u ，e tm c h a r a c t 嘶s t i c sa n dp o l a r i z a t i o n - e 1 1 l l a i l c e d m o d e lo f 、v u r t i z i t ea l u m i n 啪n i t r i d et h i nf i l m ss y n t h e s i z e do ns i ( 10 0 ) s u b s n a t e sb y p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n 【j 】j a p p l p h y s 2 0 0 3 ，9 4 ( 3 ) ：1 9 3 4 1 9 4 0 15 】h m l i a w ，r d o y l e ，p l f 句e s ，e ta 1 c 巧s t a l l i n 毋a 1 1 dm i c r o s n u t u i so f a l 啪i n u mr l i t r i d ef i l m sd 印o s i t e d0 ns i ( 1 l1 ) s u b s 位l t e s 【j 】s o l i d - s t a t e e l e c 仃o n i c s ， 2 0 0 0 ，4 4 ( 4 ) ：7 4 7 7 5 5 【1 6 】周继承，石之杰，刖【n 电子薄膜材料的研究进展【j 】，材料导报，2 0 0 7 ， 2 1 ( 5 ) ：1 4 1 7 】陈红举，张伟风，热电偶用保护管 p 】，中国实用新型专利，z l2 0 0 82 0 1 3 8 0 3 6 6 2 0 0 9 18 】h a m a i l o ，n s a 、v a s 也，i a k a s 撕，y t 0 y o d a m e t a l o r g 越cv 印o rp h 2 l s e e p i t a x i a lg r o w mo fa1 l i g hq 砌时g a n f i l mu s i n ga na l nb u 脓rl a y e r j 】，a p p l p h y s l e t t 1 9 8 6 ：4 8 ：3 5 3 19 】h p d s c h e n ku k a i s e r ，g d k i p s h i d z e ，a f i s s e l ，h h o b e r t ，j s c h u l z e ， w o 砌c h t e r ，( 如w c ho fa t o m i c m l ys m o o t ha l nf i h i l s 诵n la5 ：4c o i n c i d e n c em e m l c e o ns i ( 1 l1 ) b ym b e 阴，m a t e r s c i e n g b1 9 9 9 ，5 9 ：8 4 8 7 【2 0 】c 鼬s t o s c u ，c d u c u ，g s o c 0 1 ，f c r a c i u i l o i u ，i n 。m i h a i l e s c u ，s t m c t l l r a l 锄d o p t i c a lc h a r a u c t e r i z a t i o no fa l nf i l m sg r o w nb yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n 阴，a p p l s u 正 s c i 2 0 0 5 2 4 8 ：4 1 1 4 1 5 【2 1 】g f i r i a m ，f e n g e l m a 咄m o 怕s s o 玛i v k a ：c a 删i e v ，i n f l u e n c e o f d 印o s i t i o np 扰如e t e r so nt 1 1 es 臼e s so fm a 印e 仃o ns p u n e r - d e p o s i t e d nt 1 1 i nf i l m s0 n s i ( 1 0 0 ) s u b s t r a t e s 【j 】，j m a t e r r e s 2 0 0 3 ，1 8 ：4 2 3 - 4 3 2 【2 2 】刘思用，林立，杨武保，孙惠峰，心薄膜的离子反应镀工艺优化及分 1 2 第一苹绪论 析 j 】，表面技术，2 0 0 7 ，3 6 ( 3 ) ：3 7 - 3 9 2 3 】秦福文，顾彪等，g a n 缓冲层上低温生长a l n 单晶薄膜 j 】，半导体光 电，2 0 0 3 ，2 4 ( 1 ) ：3 2 【2 4 t l h u ，s w m a o ，c p c h a o ，m f w u ，h l h u a j l g ，d g a i l ，d e p o s i t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fa l nt l l i nf i l mp r e p a r e d b yt h ed 砌i o nb e 锄s p u 钍嘶n gs y s t e m j 】， j e l e c 仃o n m a t e r 2 0 0 7 ，3 6 ( 1 ) ：2 0 0 7 【2 5 】王敬义，杨剑辉，反应溅射制备t i n 薄膜的靶中毒模型 j ，微细加工技术，