（物理电子学专业论文）激光mbe生长bn和ain薄膜材料及光电性质研究.pdf

删 ：y 19 0 9 2 5 。彳 关于学位论文独创声明和学术诚信承诺 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。 在此本人郑重承诺：所呈交的学位论文不存在舞弊作伪行为，文责自负。 学位申请人( 学位论文作者) 签名： 2 0 11 年岁月日 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，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( 纸质文本和电子文本) 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 11 年；月日 学位论文指导教师签名： 20 1l 摘要 包括a i n ，b n ，g a n 和a i g a n 在内的ii i - 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 m b e 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 b n 和a i n 薄膜。并通过 x r d 、r a m a n 、f t i r 、s e m 、e d s 、x p s 、u v 、乙n l r 、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 m b e 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予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 m b e 在不同的衬底温度、激光脉冲能量和氮气压强下制备了b n 薄膜，通 过f t i r 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。r a m a n 表征结果发现，在7 0 0 、6 0 0 m j p u l s e 、氮气压强2 1 0 2 p a 条件下制备的薄膜有明显的h - b n 特征峰，表明薄膜具有一定的结晶度，通过x p s 的表 征结果发现其n f b 比为0 9 5 8 ，接近化学计量比。 3 、在本底真空为5 l o 击p a 不通入氮气的条件下，3 0 0 m j p u l s e ，不同的衬底温度条 件下了制备了a i n 薄膜。x r d 表征发现低于6 0 0 时，a i n 薄膜是( 0 0 2 ) 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3 0 0 时才逐步出现。 同时通过反射谱和吸收谱发现，当温度小于3 0 0 时，薄膜具有金属性。由此推断薄膜 中含有金属a l 。通过对薄膜电阻率的测量验证了这一推断。 4 、在2 5 0 。c ，3 0 0 m j p u l s e ，不同的氮气压强下制备了a i n 薄膜。x r d 表征发现低 2 1 0 。p a 下薄膜的结晶最优，高于2 x1 0 2 p a 时薄膜变为非晶。衬底峰只有在2 1 0 之p a 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7 0 0 的衬底温度下，5 0 0 m j p u l s e ，不同的氮气压强下制备了a i n 薄膜。x r d 表征发现在2 1 0 七p a 下沉积的薄膜结晶良好，为( 0 0 2 ) 择优取向，但发现有a l 的峰 出现；i p a 下沉积的薄膜结晶最优，有很好的( 0 0 2 ) 取向度；1 0 p a 下沉积的薄膜呈现 出非晶结构。s e m 表征发现2 1 0 2 p a 时薄膜表面有很多颗粒，对同一区域进行了e d s 测试发现，颗粒所在位置富铝但贫氮，结合x r d 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 1 0 之p a 下沉积的薄膜导电，电阻率约为9 1 0 0 q c m ，高于1 p a 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， a l 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x r d 的结果可以推断，低气压下沉积的薄膜中有金属a l 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。 关键词：激光分子束外延；六方氮化硼；氮化铝：铝颗粒 i l a b s t r a c t g r o u p i i in i t r i d es e m i c o n d u c t o r si n c l u d i n ga i n ，b n ，g a na n da i g a nh a v ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nu l t r a v i o l e te v e nd e e pu l t r a v i o l e tl i g h ts o u r c e sa n dp h o t o d e t e c t o r s t h e yh a v e a t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s tb e c a u s eo ft h e i rl a r g eb a n dg a p s ，o u t s t a n d i n gp h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s b a s e do nad e t a i l e da n a l y s i so nt h ed e p o s i t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mo fl a s e r m o l e c u l a rb e a me p i t a x y , t h em a i np a r a m e t e r sf o rf i l md e p o s i t i o nw e r ef o u n d h e x a g o n a lb n a n da i nf i l m sw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e db yo p t i mi z i n ge x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t o c h a r a c t e r i z et h ef i l m s ，x r d ，r a m a n ，f t i r ，s e m ，e d s ，x p s ，u v - v - n i r , i va n dr e s i s t i v i t y m e a s u r e m e n t sw e r ep e r f o r m e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nad e t a i l e da n a l y s i so nt h ed e p o s i t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mo fl a s e rm o l e c u l a r b e a me p i t a x y ，w ef o u n dt h a tt h ea v e r a g ek i n e t i ce n e r g yo ft h ep a r t i c l e sb e f o r ea r r i v i n ga tt h e s u b s t r a t ei sd e t e r m i n e db yt h el a s e rp o w e rd e n s i t y , p u l s ed u r a t i o na n dt h ea m b i e n tg a s p r e s s u r e t h ef i l ms t r u c t u r ea n dc r y s t a l l i n eq u a l i t yw e r ea t t r i b u t e dt ot h es u b s t r a t et e m p e r a t u r e t o g e t h e rw i t ht h o s et h r e ef a c t o r sa b o v e m e n t i o n e d 2 b nt h i nf i l m sw e r eg r o w no ns i ( 10 0 ) s u b s t r a t e sb yl a s e rm o l e c u l a rb e a me p i t a x y u n d e rv a r i o u st e m p e r a t u r e s ，p u l s ee n e r g ya n dn i t r o g e np r e s s u r e s t oc h a r a c t e r i z et h ef i l m s ， f t i r ，r a m a na n dx p sm e a s u r e m e n t sw e r ep e r f o r m e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta l lt h ef i l m s d e p o s i t e da r eh - b n t h ec r y s t a l l i z a t i o ni m p r o v e dw i t hi n c r e a s i n gt h en i t r o g e np r e s s u r ea n d p u l s ee n e r g y f o rt h ef i l m sd e p o s i t e du n d e r7 0 0 ( 2 ，6 0 0m j p u l s ea n d2 1 0 七p an i t r o g e n p r e s s u r e ，ao b v i o u sr a m a np e a ka t - 1 3 6 5c m w e r ei n v e s t i g a t e d ，w i t hw h i c han br a d i oa t 0 9 5 8w a sg i v e nb yaq u a n t i t a t i v ex p sa n a l y s i s t h i sa g r e e sw e l lw i t ht h ec h e m i c a l s t o i c h i o m e t r i cr e l a t i o nb e t w e e nba n dn 3 a i nt h i nf i l m sw e r ep r e p a r e du n d e r3 0 0 m j p u l s e ，w i t h o u tn i t r o g e n ，w h i l ev a r i o u s t e m p e r a t u r e sw i t hl a s e rm o l e c u l a rb e a me p i t a x y t h ec - a x i so r i e n t e da i n t h i nf i l m sh a v eb e e n d e p o s i t e ds u c c e s s f u l l ye v e na tas u b s t r a t et e m p e r a t u r ea sl o wa s 10 0 0 c h o w e v e r , t h e d i f f r a c t i o np e a ko ft h es u b s t r a t ec a nh a r d l yb es e e nu n d e r3 0 0 0 c c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t s i i i o fr e f l e c t a n c es p e c t r a , w ec 鲫i n f e rt h a tm e t a l l i ca l u mi n u mp a r t i c l e sa r ef o r m e di nt h ef i l m s t h ei n f e r e n c ew a sv e r i f i e dw i t hr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t s 4 a i nt h i nf i l m sw e r ep r e p a r e da t3 0 0 m j p u l s e ，2 5 0 0 c ，u n d e rv a r i o u sn i t r o g e np r e s s u r e t h eg r a i ns i z ef r o mx r ds h o w sam a x i m u ma t2 10 4p a ，b u tt h ef i l m sa r ea m o r p h o u su n d e r n i t r o g e n p r e s s u r ea b o v e2 x10 也p a t h ed i f f r a c t i o np e a ko ft h es u b s t r a t e c a r lb es e e no n l y u n d e r2 xlo p a t h er e s i s t i v i t yo ft h ef i l m si n c r e a s e dw i t ht h en i t r o g e np r e s s u r e t h i ss h o w s t h a tt h eh i g h e rn i t r o g e np r e s s u r ec o m p e n s a t e st h ed e f i c i e n c yo f n i t r o g e ni nt h eg r o w i n gf i l m s ， b u ti ta l s ol e dt oa v e r a g ek i n e t i ce n e r g yo ft h ep a r t i c l e sa n dp o o rc r y s t a l l i n i t y t h er e s u l t s f r o mo p t i c a lc h a r a c t e r i z a t i o na r ec o n s i s t e n tw i t ht h ex r dr e s u l t s 5 a i nt h i nf i l m sw e r ep r e p a r e da t5 0 0 m j p u l s e ，7 0 0 。c ，u n d e rv a r i o u sn i t r o g e np r e s s u r e f r o mt h ex r ds p e c t r aw ef o u n dt h a t ，t h ef i l m sd e p o s i t e du n d e r2 x10 。zp an i t r o g e np r e s s u r e a r ec - a x i so r i e n t e d ，b u tt h ea id i f f r a c t i o np e a ka l s oa p p e a r s ；u n d e r1 p a ，t h ef i l m sa r ea l s o c a x i so r i e n t e dw i t ht h eb e s tc r y s t a l l i n i t y ；u n d e r10p a ，t h ef i l m st u r np o l y c r y s t a l l i n e f r o m t h es e mi m a g e ，w ef o u n dt h a tt h e r ea r em a n y p a r t i c l e s ( d i a m e t e r1 30 m ) o nt h es u r f a c eo f t h e f i l md e p o s i t e du n d e r2 x10 p a t h ee d ss p e c t r ao ft h ef i l m sa n d t h ee l e m e n t s d i s t r i b u t i o ni nt h es a m ep l a c e ss h o wt h ep a r t i c l e sw e r er i c hi na l u m i n u m ，b u tp o o ri nn i t r i d e c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fx r d ，w ec o n f i r m e dt h a tt h ep a r t i c l e sa r ef o r m e db yt h e m e t a l l i ca l u m i n u m t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ef i l m sh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e d b yt h ep r e s e n c eo fa l u m i n u mp a r t i c l e s r e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n ts h o w st h a tt h ea i nf i l m s d e p o s i t e du n d e r1 p an i t r o g e np r e s s u r ea r et y p i c a lf o ri n s u l a t o r sw i t ht h er e s i s t i v i t yi nt h e o r d e ro f1 0 1 0 1 2q c m ，w h i l e ，t h e yb e c o m ec o n d u c t o r su n d e r2 1 0 - 2p a t h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yo ft h ea 1 nf i l m sc a l lb ee x p l a i n e df r o mp e r c o l a t i o nt h e o r y t h ep r e s e n c eo f m e t a l l i ca l u m i n u ma l s om a k e st h et r a n s m i t t a n c eo ft h ea i nf i l m sw o r s e ，w h i l ei td o e sn o t d a m a g et h es t r u c t u r eo rc r y s t a l l i n i t yo ft h e m k e yw o r d s ：l a s e rm o l e c u l a rb e a me p i t a x y ；h e x a g o n a lb o r o nn i t r i d e ；a l u m i n u mn i t r i d e ； a l u m i n u m p a r t i c l e s w 目录 摘要i a b s t r a c t 。i l l 1 绪论1 1 1宽禁带半导体材料的兴起1 1 2六方氮化硼的性质与研究现状2 1 2 1六方氮化硼的基本性质2 1 2 2 h b n 研究现状3 1 3 氮化铝( a i n ) 的性质及研究现状4 1 3 1a l n 的基本性质4 1 3 2a i n 薄膜的研究现状5 本文主要研究内容6 参考文献8 2 实验方法和表征手段9 2 1薄膜的制备方法9 2 1 1 l m b e 装置9 2 1 2l m b e 沉积薄膜的原理9 2 2表征手段9 2 2 1 x 射线衍射( x r d ) 9 2 2 2 傅立叶变换红外光谱( f t i r ) 9 2 2 3 拉曼光谱( r a m a n ) 9 2 2 4 扫描电子显微镜( s e m ) 及能谱( e d s ) 9 2 2 5 x 射线光电予能谱( x p s ) 9 2 2 6 原予力显微镜( a f m ) 9 2 2 7 紫外可见一近红外光谱仪( u v - v - n i r ) 9 本章小结9 参考文献9 3b n 薄膜的制备及性能分析9 3 1b n 薄膜制备9 3 1 1制备方法9 3 1 2衬底选择与清洗9 3 1 3实验条件的选择与优化9 3 2b n 薄膜的表征9 3 2 1 x p s 表征9 3 2 2r a m a n 谱表征9 3 2 3x r d 表征9 3 2 4u v - v - n i r 谱表征9 本章小结9 v 参考文献9 4 高质量a i n 薄膜的制备及性能表征一9 4 1a l n 薄膜制备9 4 1 1制备方法9 4 1 2衬底选择与清洗9 4 1 3实验条件选择9 4 2实验参数对薄膜的影响9 4 2 1衬底温度对薄膜制备的影响9 4 2 2氮气压强对低温低激光能量下制备a i n 薄膜影响9 4 2 3激光能量对a l n 薄膜制备的影响9 4 2 4本底真空对a i n 薄膜制备的影响9 4 2 5氮气压强对高温高激光能量下制备a 1 n 薄膜影响9 4 2 6不同衬底对a i n 薄膜制备的影响9 4 3 a l n 薄膜制备的最优条件及其性能表征9 4 3 。1 实验条件选择及制备过程9 4 3 2样品的结构和形貌表征9 4 3 3样品的光学性质9 4 3 4样品的电学性质9 本章小结9 参考文献9 5 结论9 5 1l m b e 沉积过程中的分析9 5 2b n 薄膜制备与表征9 5 3a l n 薄膜制备与表征9 5 4本文的创新点9 5 5 展望9 致谢9 攻读学位期间发表的学术论文9 v l 激光雌e 生长b n 和a i n 薄膜材料及光电性质研究 1 绪论 1 。1 宽禁带半导体材料的兴起 材料学的发展在推进现代科技、社会进步的同时也极大的改变了人们的生活方式。 2 0 世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工 业革命，计算机和家电得以广泛的应用；2 0 世纪7 0 年代初，砷化镓等相关材料激光器的 发明，促进了光纤通信和光信息处理技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类 进入了信息时代。硅和砷化镓也因此被分别称为第一代和第二代半导体，而由于硅材料 的关键作用，2 0 世纪也被称为硅的世纪h 1 1 。 随着科技、工业和军事的发展，人们对半导体器件的所能提供能量，工作温度、电 压和工作频率的器件和探测器件提出了更高的要求，而硅基半导体器件的性能已经逐渐 达到了理论上限，人们需要不断的寻找替代品。而宽禁带半导体则因可以满足这一需求 而被称为第三代半导体阳删。同时，与传统的半导体材料相比，宽禁带半导体有着特别 优异的性能，特别是它们之中还有一些有着一些有趣的特性，如：( i ) 特殊的力学性 能，超硬等；( i i ) 抗辐射损伤性能；( i i i ) 生物适应性( b i o c o m p a t i b 订i t y ) 这 一性能在与生物学相结合方面特别有用1 朝。而宽禁带半导体要想用在电子、光予、探 测器、微电予机械装置( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c e s ) 方面，以及其它一些高科 技应用时，这些材料必须实现以下前提：( i ) 制备得到高质量大面积的薄膜；( ii ) 得到 p 型和n 型掺杂；( i i i ) 可控的表面和界面制备；( i v ) 可控的纳米形貌控制和( v ) 具有 小型化集成化的潜力n 引。 常见的宽禁带半导体有z n o 、s i c 、g a n 、b n 、a 1 n 、a 1 g a n 及金刚石等，其中带隙较 窄的g a n 、z n o 等材料首先吸引了一大批科学工作者n 7 叫引。经过近些年的研究，g a n 材料已 经初步实现了商业化，如图i - i 为g a n 的蓝光l e d 。由于高密度光存储，光催化，杀菌， 眼科手术和毫微外科手术( n a n o s u r g e r y ) , 等方面对微型紫外激光器需求越来越大，许多研 究者都投入相当大的努力以期找到比g a n 带隙更大的材料。其中与g a n 结构相近的i i i - y 族半导体及其合金如b n 、a 1 n 和f m g a n 等更是由于较宽的带隙和突出的物理化学性能吸引 了众多的科学家对其进行研究。 2 0 - 3 0 l 绪论 图1 - 1g a n 蓝光l e d 1 2六方氮化硼的性质与研究现状 1 2 1 六方氮化硼的基本性质 氮化硼有四种常见的同素异形体，六方氮化硼( h b n ) ，立方氮化硼( c b n ) ，菱形氮 化硼( r - b n ) 和纤锌矿氮化硼( w b n ) 。其中应用比较广泛，研究比较深入的是h b n 和c b n ， 其结构示意图见图卜2 所示，结构参数见表1 1 【l 】。h - b n 与石墨有着非常相似的结构，层 内是牢固共价键结合，层间是比较弱的范德瓦尔斯力结合，因此比较松软，是很好的润 滑剂，但是二者在电学性质上有较大的差异。c - b n 与金刚石有着相似的结构，硬度很大， 可作为刀具涂层耐磨材料等。 bo n 图卜2 六方氮化硼和立方氮化硼结构示意图 表1 - 1h - b n 和c - b n 的结构参数 b n 晶体h-bnc - b n 2 晶系 结构 空间群 六方 六角结构 p 6 3 m m c 立方 闪锌矿结构 f 43 m 卜一l 激光m b e 生长b n 和a 1 n 薄膜材料及光电性质研究 晶格常数( a ) 杂化方式 密度( c m 3 ) a = 2 5 0 4 3 c = 6 6 5 6 2 s p 2 2 2 8 a = 3 6 1 5 3 s p 3 3 4 8 1 2 2h b n 研究现状 关于h - b n 的研究和应用已经由几十年了，由于其出色的热稳定性和化学稳定性， 一致被用做绝缘层和绝热层。2 0 0 4 年日本国家材料科学研究所的k e n j iw a t a n a b e ， t a k a s h it a n i g u c h i 和h i s a ok a n d a 率先发现了高温高压下制备的单晶h - b n 具有紫外发光 性能，波长在2 1 5 n m 左右，这也明确了h - b n 是直接带隙半导体【3 l 】。2 0 0 7 年，该实验 室在常压下制备了单晶的h - b n 3 2 1 。2 0 0 9 年他们有发明了一种基于单晶h - b n 手持式深 紫外器件3 3 1 。该实验室的工作吸引了众多科学家参与到h - b n 的研究当中。日本电报电 话公共公司( n 丌) 的y k o b a y a s h i 用m o v p e 在蓝宝石衬底上外延了h - b n 薄膜【3 4 】，该 公司的c l t s a i 等用m b e 在n i 衬底上成功外延了h - b n 薄膜 3 5 】。m b r o t z m a n n 等人 制备出了b n z n o 异质结二极管【3 6 1 。 图1 - 3 一种手持式深紫外光源 尽管h - b n 已经可以用多种技术手段制备出来，但其结晶良好的h - b n 对制备条件， 如真空度、沉积温度的要求都比较苛刻。而且其n 型和p 型掺杂还没有实现，这就使它 距离实际应用的距离相当遥远，还需要更多的科研工作者对其进行研究。 3 绪论 1 3 氮化铝( a i n ) 的性质及研究现状 1 3 1a i n 的基本性质 a 1 n 的同素异形体中，研究和应用最为广泛的是纤锌矿a i n 。通常，i l i v 族化合物 是主要由共价键结合在一起，但是会同时表现出一定的离子键的性质。如果两种元素的 电负性差别较大，则会导致离予性占优势，材料就倾向于形成纤维锌矿型结构，反之则 易于形成闪锌矿结构。由于a l 和n 的电负性差别相对较大，因此纤维锌矿的a 1 n 是更 为稳定的结构 3 7 1 。由于带隙较宽，结晶良好的a i n 薄膜在可见和红外区的透光性非常 好，所以看起来是无色透明的，而纯的a i n 粉末是灰白色的。 图1 - 4 给出了a i n 的晶体结构图。如图所示，a i n 是典型的六方结构，晶格常数 a = 0 3 1 1n m ，c = 0 4 9 8n m 。原子沿c 轴看去是呈现a b a b a 模式排列的。每个原予和 周围是四个原予构成一个四面体结构。a l 和n 原予均形成4 个s p 3 杂化轨道，a l 原子 有三个半满和一个空轨道，而n 原予有三个半满和一个全满轨道。a i n 具有很高的硬度， 可作为刀具涂料、耐磨材料等。其基本性能参数见表1 - 2 所示。 图1 - 4a i n 结构示意图 表1 - 2a i n 的基本的性能参数 物理参数 a l n 4 禁带宽度( e v ) 热导率( w m k ) 热膨胀系数( k 。) 热稳定性( ) 6 6 2 3 2 0 4 2 5 3x1 0 - 6 2 2 0 0 激光m b e 生长b n 和a 1 n 薄膜材料及光电住质研究 电阻率( q c m ) 介电强度( k v m m ) 介电常数 表面声速( c r r e s ) 折射率 密度( g c m 3 ) 1 0 1 0 1 3 1 4 5 1 0 6 1 0 5 1 9 - 2 2 3 2 6 0 1 3 2a i n 薄膜的研究现状 关于a 1 n 的研究，已经有超过半个世纪的时间。由于a i n 有着很好的热稳定性和耐 腐蚀性，早期一直被当做耐火材料来使用。但随着材料制备技术的发展，人们发现高 质量的a i n 有着更多的优点：高的热传导率，低的热膨胀系数，低介电损耗等【3 8 ，3 9 1 。 而其作为光学材料更是有着独特的优势：由于其是直接带隙材料，拥有6 e v 的带宽，因 此被认为是深紫外发光二极管和激光二极管的最优材料。a i n 还经常作为生长g a n 和 a 1 g a n 材料的缓冲层，借以提高这些薄膜的质量和器件的性能 4 0 , 4 1 】。 2 0 0 6 年，日本n t t 公司的y o s h i t a k at a n i y a s u ，m a k o t ok a s u 和t o s h i k im a k i m o t o 制 造出了首个基于a i n 的l e d ，如图1 - 5 所示，其中通过掺入m g 实现了p 型掺杂，通 过掺入s i 实现了n 型掺杂，该l e d 为到现在为止报道的拥有最短波长的光源，输出波 长为2 1 0 n m t 4 2 1 。2 0 1 0 年该小组又报道了a 面择优取向的a i n 基l e d ，发光效率更高【4 3 】。 2 0 0 9 年新加坡的j l z h a o 等人发现，未掺杂的a 1 n 与p 型s i 形成的异质结可以发出 蓝紫光，输出的最短波长为2 8 3 n m ，2 0 1 0 年该小组又报道了p 型s i c 衬底上生长a 1 n 纳米线的电致发光。m ，4 5 】此外，2 0 1 0 年有报道清华大学的c c h e n 等报道了在p t 上生 长a i n 薄膜的电阻开关性能，其上电极为c u ，高低阻态比值超过1 0 3 倍，保持超过1 0 6 秒1 4 6 。研究还发现，不同n a 1 比例的薄膜有着不同的用途。富a l 的a i n 薄膜也被报 道具有存储特性【4 7 1 ，而且可以制成c m o s 兼容型l e d 4 引。a i a i n 金属陶瓷薄膜可以用 来作为涂层优化太阳能电池的吸收率。【4 9 a i a i n 颗粒薄膜可以被用来作为表面传导电 予发射显示装置的阴极电子发射材料。1 5 0 绪论 g f o s s 剁既：扭o no t l no e 副，u vl e d 图1 - 5 首个基于a i n 的l e d 结构实物及光谱 鉴于各种各样的应用，a i n 薄膜的制备就显得非常重要。现在已经由很多种技术可 以用来制备a i n 薄膜，例如化学气相沉积( c v d ) 【5 l 】，分子束外延( m b e ) 【5 2 1 ，过滤电弧离 子镀沉积【5 3 1 ，脉冲激光沉积( p l d ) 驯等。p l d 技术的优点是可以在相对较低的温度下 沉积a l n 薄膜，具有不同择优取向和光电特性的a i n 薄膜已经用这种方法制备出来。【5 4 。5 刀 但是p l d $ l j 备过程中会存在明显的n 元素损失，导致薄膜的n a 1 不再是完好的化学计量 比，这对于制备结构良好的a 1 n 薄膜是非常有害的。 5 8 , 5 9 1 然而如果能找到控带i j n a 1 比的 主要因素及其关系，对于制备具有不同性能的a 1 n 薄膜则显得非常有意义。激光m b e 兼 具p l d 和m b e 的优势，可以达到超高的本底真空，特别适宜于高熔点的b n 和a 1 n 薄膜的制 备。本文即是基于以上考虑而展开各个因素对薄膜光电性质的影响的研究。 本文主要研究内容 本论文主要从两个方面开展工作：一是制备h b n 薄膜，二是a i n 薄膜的制备和光 电性能研究。共分五章，主要内容如下： 第一章绪论，主要探讨了半导体材料的发展历程及宽禁带半导体的兴起；细致探讨 了h - b n 和a i n 两种宽带隙半导体材料的基本性质和国内外研究现状等。 第二章是实验方法。介绍l m b e 系统的结构、薄膜制备原理和制备过程，样品性 能的表征手段等。 第三章是采用l m b e ，s i ( 1 0 0 ) 衬底上制备了b n 薄膜。研究了薄膜制备过程中各因 素的对成膜质量的影响，结合f t i r 、r a m a n 、x p s 和u v - v - n i r 等表征手段，对实验条 件的进行了摸索优化。 第四章研究了衬底温度、氮气压强、激光能量密度、本底真空等条件对a 1 n 薄膜光 电性质和结构等的影响，并对各条件进行了优化，寻找最优条件，制备出了结晶良好、 6 激光m b e 生长删和a i n 薄膜材料及光电性质研究 无色透明、带隙较宽的a i n 薄膜。并通过控制氮气压强，制备了一种导电的a i n 薄膜， 对薄膜导电的原因和电阻率等进行了细致研究。 第五章总结本论文研究所取得的主要成果，并提出今后的努力方向。 7 绪论 参考文献 【l 】何斌宽带隙立方氮化硼薄膜的制备与掺杂研究博士毕业论文，2 0 0 8 ：1 【2 】冯端，师吕绪，刘治国材料科学导论【m 】北京：化学工业出版社，2 0 0 2 ：8 【3 】陈光华，邓金祥新型电子薄膜材料【m 】北京：化学：r 业出版社，2 0 0 2 【4 】j h e d g a r p r o s p e c t sf o rd e v i c ei m p l e m e n t a t i o no fw i d eb a n dg a ps e m i c o n d u c t o r s 【j 】j m a t e r r e s 1 9 9 2 ( 7 ) ：2 3 5 - 2 5 2 【5 】陈治明宽禁带电力电子器件研发新进展机械制造与自动化2 0 0 5 ，3 4 ( 6 ) ：1 - 3 【6 】m s s h u ra n dr g a s k a i i i - n i t r i d eb a s e dd e e pu l t r a v i o l e tl i g h ts o u r c e s 【j 】p r o e o fs p i e ，2 0 0 8 ( 6 8 9 4 ) ：6 8 9 419 【7 】m s s h u ra n da z u k a u s k a s u vs o l i d - s t a t el i g h te m i t t e r sa n dd e t e c t o r s 【m 】p r o c n a t oa r w , s e r i e si i ，v o i 1 4 4 ，k l u w e r , d o r d r e c h t , 2 0 0 4i s b n1 - 4 0 2 0 - 2 0 3 4 - 1 【8 】j z h a n g ，x h u ，a l u n e v j d e n g ，y b