（凝聚态物理专业论文）si基二维孔构zno周期结构薄膜生长及性能研究.pdf

曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 摘要 近年来 随着显示器 照明及信息存储技术对短波长光源需求的日益增长 使得短波 长l e d 和激光器等发光器件的制作越来越引起人们的重视 宽禁带氧化物半导体材料 z n o 3 3 7 e v 由于其在短波长光电子器件方面的巨大应用前景 受到了国内外学术界的广泛 关注 与z n s e 2 2 m z n s 4 0 m e v 和g a n 2 5 m e v 等相比 z n o 因其激子结合能高达 6 0 m e v 而成为更适合于室温或更高温度下工作的低阈值短波长发光材料 光子晶体是一种由不同介电常数的材料周期性排列构成的一种新型材料 这种材料对 光的周期布拉格散射使得一定频段的光不能在其中传播 从而形成类似电子带隙的光子带 隙 利用光子晶体 可以控制材料的自发辐射 从而控制光子的运动与传播 二维平板光 子晶体在控制自发辐射方面取得了巨大的进展 它可以抑制面内的自发辐射 使垂直板面 的自发辐射发光得到极大地增强 从而大大提高了发光效率 因此可用来制作低阈值激光 器等发光器件 z n o 作为优越的短波长发光材料与光子晶体的结合已经开始引起人们的广 泛关注 最近几年关于z n 0 光子晶体材料制备的报道越来越多 但是 高质量单晶z n o 光子晶体材料的生长仍然是人们迫切需要解决的一个关键问题 本论文针对这一难题 利 用射频等离子体辅助分子束外延法探索了s i 衬底上具有二维周期结构的高质量z n o 薄膜 的生长 我们首先对s i 衬底表面进行了预加工 获得了孔形的周期点阵结构 然后在该衬底上 外延生长了具有相同周期结构的z n o 薄膜 利用该方法 我们有效地避免了先生长再加工 对膜造成的机械损伤及杂质离子的污染 制备了具有较高结晶质量和较好表面形貌的z n o 周期结构 为z n o 光子晶体的制作及其它基于周期结构的光子器件的制作提供了一种新颖 的方法 采用低温界面工程 z n o 双温缓冲层方法生长z n o 周期结构薄膜 利用反射式高能电 子衍射 x 射线衍射测试 扫描电子显微镜等技术 系统研究了不同晶面取向的s i 衬底及 不同的外延生长温度对z n o 薄膜结晶质量及表面周期形貌的影响 发现 s i 1 0 0 衬底上获 得的是具有旋转畴的c 轴取向z i l o 薄膜 而在s i 1 1 1 衬底上获得的则是旋转畴被完全抑制 的z i l o 单晶薄膜 这一结果表明s i 衬底的晶面取向对z n o 薄膜的结晶质量及表面周期形 貌具有重要的影响 利用s i 1 1 1 衬底 我们进一步研究了生长温度对薄膜形貌的作用 结 果表明 高温下生长的z n o 外延膜不仅具有较高的结晶质量 而且具有较好的表面周期形 貌 关键词 z n o 分子束外延 s i 衬底 光子晶体 反射式高能电子衍射 x 射 线衍射 扫描电子显微镜 曲阜师范大学硕士研究生论文 a b s t r a c t z n oi sc o l l s i d e r e d 嬲o n eo f 廿l em o s t p r o i l l i s i n gm a t 耐a l s i i l s h o m w a v e l e n g m o p t o e l e c 咖血ca p p l i c a t i o l l s f o ri t s 埘d e b 粕d g a p 3 3 7 e v a n dl a 唱e e 血o nb 砌i n g e n e r g y 6 0 m 每v f o n n e db ym a t 嘶a l sp a t t e m e d 谢map 商o d i c i 锣i nd i e l e c t r i cc o n 蛐t p h o t o l l i c c r r s t a l s p c s h a v ep h o t o n i cb 锄d g a p p b g c h 撇c t e r i s t i c s i nap c l es p 0 吡m e o u se m i s s i o n s e c a l lb ed e l i c a t e l yc o n 臼 0 l l e d w l l i c hh 嬲b e e na c 址e v e di i l 枷f i c i 址t w o d i m e n s i o i 瑚 2 d p c s t h e2 dp cs l a b 咖c t u r e sa r ea b l et 0i 1 1 l l i b i tt l l es ei 1 1 恤2 dp l 锄e a 1 1 dr e d i 妯b u t e 也e s a v e de n e r j g yt 0n l cv e n i c a ld h c t i o n 诎l e r ea2 dp b gd o e si l o te x i s t 7 r h ea b i l 时o fp c st 0 c o m r o lt h es es h o 孵p r o i i l i s e 证f a b r i c a t i o no fl i g l i te i i l i t t i n gd e v i c e s s u c h 嬲l o wm r e s h o l d l a s e r s w h e ni naf 0 胁o fp c 咖l 曲l r e z n om 北r i a l 谢l lf i n dm o r ea p p l i c a t i o l l si np h o t 0 1 1 i c d e v i c e s t h e r e f o r e m a i l y 甜e i i l p t sh a v eb e e nm a d eo nd e v e l o p i i l gn l e 铲o v t ha n df a b r i c a t i o n t e c h m q u e st oo b t a i nz n op c s s u c ha se l e 咖d 印o s i t i o nm e t l l o da n ds o l g e lp r o c e s s h o w e v e r i t i ss t i l lac h a l l e n g et op r e p a r ez n op c s 诚也i l i g l lc 巧s 谢q u m i t i e s a 撕 一d i m e l l s i o 脚s i n g l ec 巧刚l 硫z n of i l m 谢t l lp 硪o d i cs 咖咖r e p s 糯f a b r i c a t e d o ns i 1 11 s u b s t r a t eb yr a d i o 一自e q u e n c yp l a s m a a s s i s t e dm o l e c u l a rb e 锄e p i 墩y t h ei 1 1 f l u e n c e o fs u b s t r a t eo r i e n t a t i o n sa i l dg r o w t ht e m p e r a t u r e sw 嬲e x p l o r e df o ra 出e v i n gap e r i o d i c 咖c t u r e 谢t l l9 0 0 dq u i t i e s z n 01 c i l r i lo ns i 1 0 0 s u b s t r a t ew 嬲c 戚so r i e n t e d 埘t l lm ee x i s t e n c eo f i r 卜p l a r l er o t a t i o nd o m a i n s 1 1 1t l l ec a s eo fs i 1 11 h o w e v e r t h er o t a t i o nd o m a i l l sw e r ee f f e c t i v e l y s u p p r e s s e d a i l dt 1 1 em o 印h 0 1 0 百c a lp e r i o d i c i 够w a sg r e a n yi i i l p r o v e d i tw a s a l s of o u n d 廿1 a tz i l o p sg r o w no ns i 1 11 s u b s 跏ea th i 吐l e rt e m p e r a t u r eh a sb e t t c rm o 印h o l o g y 嬲 l la s c r r s t a l l i l l e 小谢i 吼w i l i c hw 弱 c o h m e db y s c a i m i i l g e l e c t r o n m i c r o s c o p y r e n e c t i o n l l i g h e n e 理 re l e c 订o nd i 倚a c t i o n a n dx r a yd i 债a c t i o n t h er e s u l t ss u g g e s tt 1 1 a to u r 印w t h m e 也0 di sf e a s i b l ef o r 蠡妇i c a t i n gz n of i h n 诵t 1 1p sa n do u rz n op si sp r o i i l i s i n gf o r 印p l i c a t i o i l si i ln e wp h o t o i l i cd i e v i c e s k e y w o r d s z n o m o l e c u l a rb e a me p i t a y s is u b s 仃a t e p h o t o n i c 呵s 龇r e f l e c t i o n h i 曲e n e r j g e l e c 仃o nd i 缶a c t i o n x r a yd i 脏a c t i o n s c a n n i l l ge l e c 们nm i c r o s c o p y u 闺敛砌绎 葛审弘 洲 晦 曲阜师范大学博士 硕士学位论文原创性说明 在口划 本人郑重声明 此处所提交的博士口硕士囱论文 s i 基二维孔构z 1 1 0 周期结构薄膜 生长及性能研究 是本人在导师指导下 在曲阜师范大学攻读博士口硕士囱学位 由 中国科学院物理研究所联合培养期间独立进行研究工作所取得的成果 论文中除注明部分 外不包含他人已经发表或撰写的研究成果 对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确的方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 崔鸯芝 日期 沙口孑 口歹 曲阜师范大学博士 硕士学位论文使用授权书 在口划 s i 基二维孔构z n o 周期结构薄膜生长及性能研究 系本人在曲阜师范大学攻读博士 口硕士团学位 由中国科学院物理研究所联合培养期间 在导师指导下完成的博士口 硕士囱学位论文 本论文的研究成果归中国科学院物理研究所和曲阜师范大学所有 本论 文的研究内容不得以其他单位的名义发表 本人完全了解曲阜师范大学关于保存 使用学 位论文的规定 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本 允许论文被查 阅和借阅 本人授权中国科学院物理研究所和曲阜师范大学 可以采用影印或其他复制手 段保存论文 可以公开发表论文的全部或部分内容 作者签名 莅秀芝日期 沙呀 护厂 导师签名 移昂豇 日期 乒梆 够j 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第一章序言帚一早j 予苗 1 1 引言 随着人们对信息显示 绿色照明 信息存储技术及短波辐射探测的需求日益增长 短 波长l e d 和激光二极管l d s 材料引起了人们极大的重视 目前 宽禁带半导体材料g a n 基蓝绿光l e d 已实现商品化 另一种光电性能更优异的 带隙为3 3 7 e v 的宽禁带半导体 材料z n o 也已登上历史舞台 与g a n 相比 z n o 的优势表现在以下几个方面 1 室温下 z n o 的自由激子结合能高达6 0 m e v 远大于室温热离化能2 6 m e v 而g a n 仅为2 5 m e v z n o 的激子的稳定性使得它更易在室温或更高温度下实现高效率的激光发射 2 可以获得 z n o 块体材料 大片高质量的单晶z n o 外延片已经商业化 3 生长温度比g a n 几乎低一 倍 这在很大程度上避免了因高温生长导致的外延膜和衬底间的原子互扩散 从而提高了 薄膜质量 4 能够进行湿法化学刻蚀 5 熔点更高 热稳定性和化学稳定性更好 6 具 有更强的耐辐射损伤能力 适于太空应用 由此看来 z n o 具有很好的发展前景 它的研 究和应用已经成为世界半导体材料领域的热点 在固体能带理论的指导下 人们利用半导体材料控制电子的运动 发明了各种各样的 半导体产品 比如 计算机 网络 电话 电视机 以及各种办公用电子器件 半导体产 品已广泛地进入了人们日常生活及工作的各个领域 不仅方便了我们的生活和工作 而且 对人类社会的进步也产生了巨大的影响 随着半导体电子器件的日趋微小型化 电子自身 的特性和器件制作中的光刻等工艺所受到的物理上的限制 衍射极限 使得微电子技术在 速度 容量和空间相容性等方面的进一步发展受到很大限制 而与电子相比 光子具有许 多优越性 1 光子是以光速运动的微观粒子 它的静止质量为零 并且具有很好的空间相 容性 因此以光子作为信息和能量的载体有着巨大的优越性 2 电子器件的响应时间一般 为1 0 啼秒 而光子器件可达1 0 1 2 1 0 1 6 秒 而且光子在通常情况下互不干涉 具有并行处 理信息的能力 与现在蓬勃发展的量子计算机结合 将会给光子更广阔的发展空间 1 1 近 年来 具有比电子学材料性能更优越的光子学材料成为人们广泛关注的焦点 其中光子晶 体材料以其巨大的应用前景脱颖而出 迅速成为一个重要的研究领域 光子晶体的特性 光子禁带和光子局域 类似半导体的禁带和杂质 缺陷 能级 使得它具有控制光子的能力 有人预言 如果光子晶体一旦走出实验室 走上生产线 将会为人类社会带来又一场科技 革命 人们将会从电子时代进入崭新的光子时代 目前 人们已经在尝试制作z n o 光子晶体 利用光子晶体的特性控制z n o 的发光进一 步增强其光电性能 并且实现了z n o 光子晶体对光荧光谱的增强效应 2 以及室温下光泵浦 近紫外频段的激光发射 3 1 1 2z n o 的晶格结构和物理参数 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 1 2 1z n 0 的晶格结构 在大部分i i v i 族化合物半导体材料的闪锌矿或纤锌矿结构中 每个阴 阳 离子被四 个位于四面体顶位的阳 阴 离子包围 并发生s p 3 轨道杂化 这种典型的s p 3 共价键通常 具有离子键的性质 z n 0 是一种离子性介于共价性和离子性半导体之间的i i v i 族化合物 半导体材料 以纤锌矿 闪锌矿和岩盐结构三种结构形式存在 常温常压下z n 0 的热力学 稳定相是纤锌矿结构 亚稳态的闪锌矿z n o 只能在立方结构的衬底上通过异质外延获得 4 常温下 当压强达到9 g p a 时就可以由纤锌矿结构转变成岩盐结构 在六方纤锌矿结构中 z n o 的晶格常数为铲3 2 4 9 6 a c 5 2 0 6 5 a c a 1 6 0 2 其中具有完全共价键特性的理想纤 锌矿结构的c 口 8 3 1 6 3 3 图1 1 给出了z n o 纤锌矿结构的示意图 它由两种h c p 密 堆积的z n 和o 亚晶格互相套移而成 o 原子层和z n 原子层交替排列 沿 方向 各自按照 a b a b a b 的六角密堆积顺序排列 只是两套密堆积结构沿c 轴有 3 c 8 的 平移 这是所有纤锌矿晶体结构的一个共同特点 萋醪套 寥 釜i 黎l 0 一一 专 毪一 图1 1纤锌矿z n o 晶体的原子点阵示意图 1 2 2z n o 的基本物理参数 表1 1 详细比较了z n o 和其它几种重要的半导体材料的基本物理常数 从表中可以看 出 z n o 作为直接跃迁型宽禁带半导体 最大的优点就是自由激子结合能远大于其它几种 半导体 因此更易在室温或更高温度下实现高效率的激光发射 同时 室温下z n o 单晶的 电子霍耳迁移率在2 0 0 c m j s 的量级 稍低于g a n 但它的电子饱和速率更高 7 此外 z n o 的生长温度较低 比q i n 几乎低一倍 这就在很大程度上避免了因生长温度太高而导 致的外延膜和衬底之间原子的互扩散 更易于得到高质量的薄膜和制造低维量子结构 5 1 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 表1 1z n o 和其它几种重要的半导体材料的基本物理常数睁1 z i l og 喇 g a a s s i 材料 纤锌矿 纤锌们 闪锌矿 金刚石 常温晶 a 舳 o 3 2 4 9 6 o 3 1 8 90 5 6 4 2o 5 4 3 1 格常数 c i l l l l 0 5 2 0 6 5o 5 1 8 5 带隙 室温 e v 3 3 7 直接 3 3 9 直接 1 4 2 直接 1 1 2 间接 本征载流子浓度 c m 厶l l l l c 它们具有类似的形式 即介电常数的周期性变化相当于势能的周期性变化 而篓相 当于能量本征值 由于光子晶体和半导体晶体某些特性相似 固体物理中的许多概念都可用于光子晶 体 如能带 带隙 能态密度 激发态 缺陷态 束缚态 局域态 施主态 受主态 倒 格子 布里渊区 色散关系 布洛赫波等 很多用于研究半导体的方法也用于研究光子晶 体 从光子和电子运动方程的可类比性 可以得出以下的结论 在一个介电常数周期性交 化的结构中 光子的运动类似于在周期势场中电子的运动 因此 在介电常数周期性变化 的介电结构中具有光子能带结构 在一定的条件下具有光子能隙 光子晶体与半导体晶体有相同的地方 但也有本质的不同 光子晶体与半导体晶体结 构不同 光子晶体的结构是不同介电常数介质的周期性排列 而半导体内是周期性势场 光子晶体研究的对象是电磁波 光 在晶体中的传播 光子是自旋为l 的玻色子 半导体研 究的是电子的输运行为 电子是自旋为1 2 的费米子 光服从的是m a x w e l l 方程 电子服从 的是薛定谔方程 光子波是矢量波 而电子波是标量波 光子晶体中介质的周期尺寸是电 磁波的波长 而半导体中势场的周期是电子的德波罗意波长的量级 电子之间有很强的相 互作用 而光子之间没有 从1 9 8 7 年以来光子晶体的理论研究取得了令人瞩目的进展 下面列举几种广泛使用的 光子晶体光子禁带结构的计算方法 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 一 平面波方法 1 5 1 6 这是在光子晶体能带研究中用得比较早与比较多的一种方法 主要将电磁场以平面波 的形式展开 何启明等人在预言金刚石结构中完全光子禁带的存在的文章中就用的这种方 法 但是这种方法有明显的缺点 计算量与平面波的波数有很大关系 因此会受到较严格 的约束 对某些情况 如计算金属光子晶体就显得无能为力 二 多重散射法 1 7 1 8 它是由 等和t a y e b 等分别提出的 在多重散射方法中 有限光子晶体被认为是在一 个开放环境下的许多散射体的组合 在这种假设的条件下 边界条件是自动得到满足的 这种方法比较适合于由规则散射体组成的光子晶体 如圆柱体或球体组成的光子晶体 三 转移矩阵法 1 9 电磁场在实空间格点位置展开 将麦克斯韦方程化成矩阵形式 这样可以利用麦氏方 程组将场从一个位置外推到整个晶体空间 这种方法对介电常数随频率变化的金属系统特 别有效 且计算量小 精确度高 还可计算反射系数及透射系数 四 时域有限差分方法 f d t d 2 0 2 1 时域有限差分法由y e e 于1 9 9 6 年提出 2 0 1 在上世纪得到t a n o v e 等人的大力发展 2 1 1 f d t d 方法从最基本的麦克斯韦方程出发 用差分的形式代替微分 并通过巧妙地安排电 磁分量在空间和时间轴上的分布 将电磁场在复杂的介质结构中的演变过程转化为计算机 内存空间的迭代过程 f d t d 方法能非常方便地适应各种复杂结构的分析 目前已广泛应 用于光子晶体的结构分析 1 3 3 光子晶体的应用 由于具有光子带隙和光子局域的特性 光子晶体能像半导体控制电子一样控制光子的 运动 由此产生了光子晶体材料的许多应用 1 9 9 3 年第一个以光子晶体为基底的微波天线 在美国研制成功 开启了光子晶体应用的大门 光子晶体在微波通讯 光通讯 集成光学 等领域得到了广泛的应用 一 光子晶体天线c 2 2 传统的小型偶极平面微波天线是用g a a s 做基底材料的 如图1 4 a 所示 其发光效率 只有2 而9 8 的能量则被基底吸收或者散射损耗掉了 如果采用光子晶体做基底材料 如图1 4 b 所示 对于频率处于光子带隙范围内的电磁波 光子晶体是一个理想的反射面 因此光子晶体基底几乎不损耗能量 这样 天线所发射的电磁波均被反射到空间中 从而 大大提高了天线的发射效率 这项研究为把天线做进集成电路创造了条件 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 鼍 o z 卜 腓 嚣 韬射 厂拔 l光予晶体基雇l 秭 图1 4 小型微波天线发射装置 a 以g a a s 为基底 b 以光子晶体为基底 二 光子晶体波导和光子晶体光纤 光子晶体可以用来做传输系统 比如光子晶体波导 光子晶体光纤 传统光纤和光波 导依靠折射率导引光 波导拐弯时 全内反射条件不再有效 会漏掉部分光波能量 使传 输效率降低 光子晶体波导是用光子晶体中的线缺陷结构来局域光 光子晶体波导可以实 现无损耗的大角度拐弯 具有优良的弯曲效应 2 3 1 光子晶体光纤可以在低折射率的空气中 传播电磁波 它是一种空气孔在s i o 中的二维周期排列结构 光纤芯层为周期结构中引入 的缺陷 光子晶体光纤可以用传统的光纤制作设备来拉制 研究表明 光子晶体光纤在色 散补偿 高功率传输 短波长光孤子传输以及传感器等方面有着极其美好的应用前景 三 低阈值光子晶体激光器 具有光子局域的光子晶体可以控制原子的自发辐射 如果在激光器中引入一个带有缺 陷的光子晶体 这个缺陷对应频率恰好是原子的自发辐射频率 自发辐射将显著增强 这 样就能实现高品质因数的谐振腔 大大降低激光器的阈值 2 4 利用二维平板有源光子晶体 可以抑制平板面内的自发辐射 使垂直平板面的自发辐射被增强 能实现低阈值激光器 2 5 1 四 高提取效率的发光二极管 l e d 2 6 一般的发光二极管发出的光经过包围它的介质的无数次反射 大部分的光不能有效地 耦合出去 从而降低了二极管的发光效率 如果将发光二极管放置在只支持单一电磁模式 的光子晶体微腔中 二极管发出的光将受到光子禁带的限制而保持单一模式 从而使二极 管发出的光具有很好的方向性和单色性 同时还提高了发光二极管的转换效率 相对传统 的发光二极管 其效率能从1 0 提高到9 0 左右 除上述应用外 光子晶体还有许多的其它应用 如光子存储器 极宽带滤波器 光 子偏振器 分辨率极高的超棱镜等 光子晶体的特点决定了它具有优越的性能 光子晶体 器件的进一步发展将有可能取代传统光学产品 并实现光学系统的收集 处理 传输的一 体化功能 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 1 3 4 光子晶体的制备方法 从1 9 8 7 年提出光子晶体概念到现在 已经发展了多种制备光子晶体的方法 能否实 现有效利用光子晶体这种新材料控制光子的运动 关键就是制备出形貌和结晶质量符合要 求的光子晶体结构 目前 制备二维光子晶体的方法主要采用微加工手段 比如电子束制 版和干法刻蚀方法 2 刀 聚焦离子束刻蚀 3 2 8 1 也开始逐渐被用来制备二维平板光子晶体 我 们利用分子束外延法生长z n o 二维平板光子晶体 三维光子晶体制备方法有 胶体晶体 模板法 2 9 3 0 等 下面对这些方法做简要介绍 一 电子束制版和干法刻蚀方法 电子束制版和干法刻蚀方法是目前研制二维光子晶体的主要方法 此方法包括三个主 要步骤 光子晶体图形产生 图形向掩模转移和刻蚀半导体材料 3 1 1 其中关键工艺有 1 电子束曝光 e b l e l e c 仃d n i cb e 锄l i 廿l o 笋印h y 产生图形 电子束曝光技术是利用电子束对某些电子感光材料 抗蚀剂 进行加工以形成所需要 的图形 它主要应用于光学掩模板的制备和精细图形的直写 3 2 1 用电子束曝光直写产生光 子晶体图形而不用光学曝光是由光子晶体的晶格常数及图形特征尺寸决定的 由于目前光 学曝光技术的极限难以产生较小晶格常数 3 0 0 4 0 0 i n 较小图形特征尺寸 1 6 0 2 0 0 衄 而电子束曝光的分辨率能够达到这一尺寸 所以 目前主要用电子束制版产生光子晶体图 形 2 离子铣转移图形 用平行a r 离子束可将电子束产生的图形从电子束抗蚀剂 p m m a 转移到掩模板烈i 掩 模 其刻蚀机理是用离子轰击掩模材料表面 轰击离子与材料原子进行能量和动量交换 将部分材料轰击出来 由于其作用机理是纯物理作用 因此具有分辨率高的特点 其极限 分辨率可达1 0 呦 3 干法刻蚀 利用半导体刻蚀工艺 可将光子晶体图形由掩模板转移到半导体材料上 刻蚀完的样 品再除去掩模即可得到最后的光子晶体样品 对不同的半导体材料应采用合适的刻蚀工 艺 比如 反应离子刻蚀 离子溅射刻蚀 反应气体刻蚀等 二 聚焦离子束 f i b 刻蚀 聚焦离子束 f o c u s e di o nb e 锄 f i b 与聚焦电子束在本质上是一样的 都是带电粒子 经过电磁场聚焦形成细束 3 3 1 但是聚焦离子束不同于聚焦电子束 最轻的离子氢离子的质 量也是电子的1 8 4 0 倍 离子束的大质量可以直接将固体表面的原子溅射剥离 直接刻蚀 半导体材料表面 产生光子晶体结构而不用甩p m m a 胶及镀硬掩模等 因此利用f i b 加 工光子晶体 工艺步骤简单 只需要设计好数据文件 调焦 调像散 设计好相关参数后 即可直接在半导体材料上刻蚀 不需要像电子束制版和干法刻蚀方法复杂的多道工序 高能离子对半导体材料的轰击会导致材料变性 还会对半导体上层材料造成污染使得 透光性差 这对有源光子晶体是非常不利的 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 三 胶体晶体 模板法制备三维光子晶体 所谓 胶体晶体 是由单分散胶体粒子在一定条件下 由它们之间的短程排斥力和 长程范德瓦耳斯力共同作用将无序的胶体粒子自组装形成面心立方结构的有序阵列 具有 这种阵列结构的材料也叫蛋白石 o p a l 在自然界 经过这个过程产生的就是蛋白石宝石 人工制备的胶体晶体称为人造蛋白石 由于胶体晶体的颗粒一般为s i 0 2 或聚苯乙烯等聚合 物 折射率较低 因此 这些 胶体晶体 本身并不具有完全的光子带隙 但是 胶体晶 体可以作为制各其他有序结构材料的 模板 以胶体自组装法生长出的密堆积的胶体晶 体为模板 向球形胶体颗粒的间隙填充高介电常数的材料 然后通过焙烧 化学腐蚀等方 法将模板除去 得到三维周期性的反蛋白石结构 其典型结构是空气小球以面心立方的形 式分布于高介电系数的介质中 胶体自组装模板技术是制备光学波段三维光子晶体的有效 途径 图1 5 是用该技术制备反蛋白石光子晶体流程图 胶体晶体模板法制备光子晶体具有成本低 材料选择范围广等优点 但是这种方法要 求胶体颗粒填充的介质要有足够的迁移率 8 0 呦以及填充介质要均匀致密 否则 祛除模 板后结构容易坍塌 这是研究人员需要解决的关键问题之一 图1 5 材胶体晶体 模板法制备反蛋白石光子晶体流程图 a 胶体晶体模板 填充介 电材料后的 胶体晶体 c 去除胶体晶体模板后的反蛋白石光子晶体 j 4 j 四 分子束外延 m o l e c l l l a rb c a me p i t a x y m b e 分子束外延是指在超高真空系统中 加热束源炉使具有一定热能的分子或原子喷射到 加热的单晶衬底表面 通过表面扩散 迁移和反应等进行材料生长的技术 我们将在下一 章对该外延技术进行详细的介绍 1 4 本论文的研究内容 本论文的工作是 研究用射频等离子体辅助分子束外延设备 并利用低温界面工程工 艺 双温缓冲层法 在具有周期孔点阵的s i 衬底表面生长二维孔构z n o 周期结构薄膜 探索了不同晶面的s i 衬底对z n o 外延膜结晶质量及表面周期形貌的影响 得出在 s i 1 0 0 衬底生长的z n o 为具有旋转畴的c 轴取向的薄膜 薄膜在孔内侧壁的无规则生长严 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 重影响表面周期形貌 在s i 1 1 1 衬底生长的z n o 为高质量的c 轴取向外延膜且形貌具有较 好的周期性 还探索了在s i 1 1 1 衬底外延生长温度不同时对z n o 外延膜的影响 最后的 结论是 在s i 1 11 衬底上高温外延生长的z n o 具有较高的结晶质量和较好的周期形貌 本论文提供的制备z n o 周期结构的方法由于采用先在衬底做图形后生长的过程避免 了微纳加工过程中杂质粒子的引入以及薄膜表层的损伤 对有源光子晶体的制作是很好的 选择 为z n o 光子晶体的制作及其它基于周期结构的光子器件的制作提供了一种新颖的方 法 本论文将在第二章介绍生长实验使用的实验仪器 实验原理和研究手段 第三章介绍 衬底的湿法化学清洗及其对衬底形貌的影响 第四章介绍实验采用的方案 并对实验结果 及测试结果进行分析 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 第二章实验仪器 原理和研究方法 本论文的生长实验是在一台由射频等离子体辅助的分子束外 i 仁m b e 设备上完成的 在实验进行过程中利用反射式高能电子衍射仪记录并监测衬底状态及外延薄膜生长过程 的演化和生长状态 用x 射线衍射 扫描电子显微镜对薄膜形貌及结晶质量进行表征 本 章将对分子束外延技术 实验设备 实验方法和研究手段进行介绍 2 1 分子束外延技术简介 2 1 1 分子束外延技术的定义及优点 所谓分子束外延技术 是指在超高真空系统中 气压值小于1 0 0 t o 玎 极限真空可以达 到l o 以1 t o 仃 加热束源炉使源物质以原子或分子形式被蒸发到加热的单晶衬底表面 通过原 子 分子在衬底表面迁移并在表面发生反应而实现外延生长 这一技术是1 9 6 8 年由美国 贝尔实验室的j r a n h l l r 等人提出 并于1 9 7 1 年由卓以和等人发展起来的一种薄膜材料 生长技术 35 3 6 分子束外延方法生长薄膜具有许多优点 1 具有超高真空生长环境 外延材料的纯 度特别高 衬底在源炉蒸发前能保持清洁状态 这为表面分析技术的应用提供了条件 2 蒸发源和衬底分开加热 可以进行独立温度等控制和调整 得到组分均匀和结构有序的单 晶薄膜 3 生长速率较慢 o 1 1 i m s 可以精确控制薄膜厚度 同时又使得大规模快速 生产受到限制 这也可以看作分子束外延的不足 4 生长温度较低 可以避免生长过程 中衬底和外延层间原子的互扩散问题 能够获得非常陡峭的界面 适合生长超晶格 量子 阱等特殊材料 还可以避免高温热缺陷的产生 5 在二元系化合物基础上 只需增加蒸 发源 通过同时蒸发和控制各种杂质的含量 可以实现实时掺杂以及期望的杂质分布 6 反射式高能电子衍射仪 r h e e d 的原位监测技术可以使整个外延生长过程得到严格的控 制和及时的调整 m b e 技术的优点保证人们能够利用它生长不同元素 不同组分 不同掺杂浓度及厚度 的材料 满足科研和实际应用的需要 2 1 2 分子束外延生长原理 分子束外延生长是一种非平衡过程 是气相原子沉积到衬底表面变为固相的过程 是 动力学和热力学因素竞争的结果 3 7 1 动力学方面主要涉及生长中的一些具体条件 如沉积 速率 衬底形貌等 热力学因素是驱使系统达到能量最低状态的因素 如温度 晶格失配 衬底和沉积原子的相互作用等 不同的生长过程将导致不同的结果 有效地调控这两个因 素 就有可能获得想要的外延薄膜结构和特有光学 电学等性质 另外 m b e 生长是由发 生在衬底的一系列物理和化学过程来实现的 图2 1 a 显示了这一复杂过程可能发生的具 体细节 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 图2 1 a m b e 生长时发生的表明过程 晶体表面非理想结构的示意图 3 8 具体可以描述为 来自气相的分子和原子撞击到衬底表面而被吸附 被吸附的分子 原子在衬底表面发生扩散 迁移和分解 然后 原子进入衬底晶格形成外延生长 未进入 衬底晶格的分子 原子因热脱附而离开表面 m b e 生长所用的衬底 表面一般不是一个非常理想的光滑表面 如图2 1 b 实际的 衬底表面包含一些与之平行的表面晶格平面 即平台 t e 仃a c e 这些平台之间通常会在竖 直方向发生一些位移 相互之间间隔一个或多个晶格平面 形成台阶 平台空位f v a c a l l c y 和扭折 等 在外延生长过程中 有三种常见的生长模式 3 9 1 如图2 2 所示 a 层状生长模式 f r a i 心v a nd e rm e r w em o d e f m 模式 当被沉积原子与衬底之间的 相互作用比相邻的沉积原子之间的相互作用强时 被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子 键合 因此 薄膜从形核阶段就采取二维生长的模式 岛状生长模式m h n e r w e b e rm o d e v 二w 模式 在这一模式中 沉积原子之间的相 互作用强于它们与衬底之间的相互作用 因此更倾向于相互之间键合起来形成岛 以原子 团形式成核 发生三维岛状生长 进一步沉积会导致这些岛的生长和粗化 c 层加岛生长模式 s n 觚凼 鼬a s t a n o vm o d e s k 模式 介于上述两者之间的生长过 程 最开始几层是层状生长 当超过某一临界值时转化为岛状生长 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 一 7 7 7 7 万乃 i 口 易蚜雳嘉 1 6 图2 2 三种不同的薄膜生长模式 从热力学角度看 生长模式的不同取决于覆盖层的表面能e 洲c 订一 衬底表面能 e s u b 呲 它们之间的界面能e m t 舭以及由晶格失配导致的应力的共同作用 如果 e u b 嘣e e o 硎a y e r e i n t r f h 时 覆盖层就会以岛状 w 模式生长 如果e u b s t r 砒e e 盯l 州 r t 盯触 覆盖层就会以层状 f m 模式生长 但若衬底和覆盖层间晶格失配较大 在生长初期 覆盖层以f m 模式生长 随着厚度的增加 应力越来越大 当厚度超过一定 值后 覆盖层必须形成三维岛释放应力 这就是s k 生长模式 金属在半导体表面的生长 就多为这种生长模式 生长过程沉积速率过快 衬底温度过低 都会导致系统无法达到热力学平衡态 因此 薄膜的形貌更大程度上取决于生长的微观过程 也就是动力学过程 这其中包括 原子在 表面的扩散 决定了薄膜在水平方向的均匀性 原子是否能够跨越台阶扩散 决定了薄膜 是以二维还是三维模式生长 由此可见 由于动力学因素的影响 不同的生长过程将导致 不同的结构 通过选择合适的衬底和生长条件 甚至某些情况下还需要选择合适的表面活 性剂 4 0 j 有效地调控薄膜生长中的各种热力学和动力学两方面因素 才能实现可控生长 得到需要的结构 2 2 射频等离子体辅助分子束外延 搀 e 设备 分子束外延生长是在超高真空环境中进行的 围绕这一点整个设备除了生长腔外还需 要方方面面的外围设备 我们的设备包括三个腔 如图2 3 进样室 l o a d l o c k 传样室 u f o 生长室 m b e 真空系统包括机械泵 涡轮分子泵 离子泵 钛升华泵 真空度 由电阻规和离子规测量 我们的生长设备在分子束外延的基础上又对气源系统进行了改 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 进 即采用射频源对生长过程中的气体首先电离产生等离子体 在等离子体出口处使用偏 转电场使正负离子的运动方向发生偏转 而偏离衬底 而等离子体中的活性氧原子沿着原 来的运动方向到达衬底表面与其它源物质反应实现外延生长 下面逐一介绍本文生长实验 使用的射频等离子体辅助分子束外延技术 2 2 1 分子束外延设备的进样室和传样室 图2 3 进样室的开口与大气相连 另一个口与传样室相连 进样室与传样室之间用闸板阀隔 开 关掉与进样室相连的分子泵 机械泵后 给迸样室冲气 待气压达到大气压后 打开 进样室把样品传入或传出 当进样室的真空度达到1 0 9 m 1 a r 时 可以打开进样室与传样室 之间的闸板阀 用传样室的传样杆把样品传入或传出进样室 当生长室的真空度达到 1 0 母m b a r 时 可以打开它与传样室之间的闸板阀 用传样杆将样品传入或传出生长室 进 样室随时会暴露大气 用分子泵和机械泵抽真空 传样室由离子泵维持真空 只有在传样 时才会打开它于进样室或生长室之间的闸板阀 传样室是连接生长腔和进样室的中间腔起 到保护生长室超高真空的作用 2 2 2 分子束外延设备的生长室 这套设备的核心部分是生长腔 图2 4 是其示意图 图中未画出分子泵 机械泵 离 子泵 钛升华泵等抽真空系统 生长室真空度由电阻规和离子规来测量 另外 腔体内侧 还有用来吸附杂质气体和降温的冷阱 内部通液氮冷却 本论文的生长实验所使用的舳e 系统具有以下的特点和优点 1 生长室配备了抽 气速率达1 6 0 0 的涡轮分子泵 便于提高背景真空度 1 1 0 1 仃 2 配备了多个大功率 的等离子体源 并通过质量流量控制器 m f c 使生长腔的氧 氮分压在1 0 7 1 0 4 m b 盯范围 内调节 因而可以实现对衬底的特殊表面处理 以及定量的p 型掺杂 3 配备了德国s t a i b i m 3 0 型反射式高能电子衍射仪 砒 e e d 从而可以对生长过程进行实时 原位地监测 4 在m b e 生长腔内还配备了s r sr g a l 0 0 型残余气体分析器 s i d u a lg 舔a n a 蜘财 简称 胁 能够对腔内残余气体原子 分子种类和含量进行实时的跟踪和判断 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 图2 4 典型的射频等离子体辅助分子束外延系统 r f m b e 示意图 4 1 下面将主要介绍正m b e 系统中的 源炉 z n 源 射频等离子体源 o 源 反射式高能 电子衍射仪卿e d 构造及工作原理 一 船e 源炉 z n 源 图2 5 是一张标准的m b e 源炉装置一克努森扩散炉删s e nd i 伍l s i o nc e l l 的示意图 1 是热解氮化硼口b 坩锅 可以耐1 5 0 0 c 的高温而不分解 大量实验证实这种材料同很 多物质都不反应 包括活泼的灿和g a 等金属 2 是给坩埚加热用的电阻丝 通常由t a 制成 3 是由t a 片做成的多层热屏蔽罩 用于减小热辐射造成的损耗 以保证源温度均匀 4 是热电偶 图中没有标出 用于测量坩锅的温度 加上一个温控仪就可以精确控制坩埚的 升 降温速率及目标温度 从而保持源的束流稳定不变 5 是用于安装源炉的法兰 实际的 m b e 生长腔一般有多个源炉 可以进行不同金属的沉积 多种氧化物的生长 和不同元素 的掺杂 通常每个源炉还配自动或手动控制的挡板 龇r 设定程序之后 就可以很方便 地制备量子阱或超晶格结构 源炉配有液氮冷却 减少对周围环境的热辐射 整个生长腔 都配备有冷阱 能够进行液氮冷却 既能在低温下进行金属的沉积和薄膜的生长 还可以 在高温生长中减少腔壁过热引起的杂质脱附所带来的影响 图2 5 标准的m b e 源炉示意图1 4 1 1 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 二 射频等离子体源 o n 源 该系统由高纯0 2 或n 2 气瓶 气路管道 质量流量控制器 m a s sn o wc o n 们l l e r m f c 和射频等离子体源组成 图2 6 是本论文工作所用到的美国s v t a 公司生产的高生长速率 i 强4 5a l o 型射频源的构造图 钾裔酽商戳rm 镕 镕 镕 m o 警学 o l dg 蛆l i l l 拽 g 酤f h d t u b ea d a p t e ra p t n u n l 厂 a j p呻n a l i n c i m b e r 产岫峨r 图2 6 美国s v t 公司r f 4 5 a l o 型射频等离子体 源结构示意图 利用该系统将射频信号发生器产生的射频 1 3 5 6 m h 哟功率无反射 无损耗地传递给放 电管 用以产生原子含量尽可能高的等离子体活性基团 为了达到最大的原子产生效率 需要调节射频源的两个参数 射频源的输出功率和工作气体的流量 一般来说 活性原子 在出射束中的含量会随着射频功率的增加而呈近乎线性的变化趋势 但是它和气体流量的 关系就很复杂 基本上遵循的是图2 7 所示的关系曲线 从图中可以看到 在一定的输出 功率条件下 活性原子的含量会随着气体流量的增加而呈先增加后衰减的趋势 因此只有 找到一个合适的气体流量值 才能获得较高的原子输出效率 i 嘲唾e 淘簿p a 阳m e t e 倦 图2 7 等离子体强度与作用参数的关系 l 1 j d 10 臻樱蕊 雾 1 l 糕一尸严繁丞 鼬 1 u 空 u粤罩受爱鲞蕾 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文 三 反射式高能电子衍射仪 褂也e d 系统 反射式高能电子衍射仪 r e n e c t i o nl l i 曲一e n e r g ye l e c 仃c md i 衢a c t i o n 砌 e e d 是m b e 系 统配备的原位分析和监控仪器 在表面结晶质量 表面相 表面重构以及晶体生长过程等 方面的研究中起着十分重要的作用 是m b e 的 眼睛 主要由高能电子枪和荧光屏两部 分组成 电子枪和荧光屏分别位于样品两侧 对样品生长没有妨碍 能够对样品生长进行 实时监控 高能电子枪发射电子的灯丝非常细 使用时给灯丝加电流一定要慢 r h e e d 工作时 高能电子枪发射1 肚2 0 k d v 的电子束 以掠入射的方式 入射角接近9 0 0 入射到样品表面 高能电子的能量虽然很高 具有很强的穿透能力 但由于是掠入射 高能电子仅作用于样 品表面2 3 层原子 从而使 e e d 具有很高的表面灵敏度 另一方面 用高能电子作为 探束 以掠射的方式入射到样品的表面 入射电子的高能量使弹性散射主要是在前进方向 因此衍射束也处在掠射方向 向前的带有表面结构信息的弹性电子打到涂有荧光粉 一般为 z n s 的观察窗上 形成衍射图案 一般在观察窗前放一栅极 g r i d 阻止次级和非弹性散 射电子的影响 用照相机对i m e e d 图拍照 记录表面衍射信息便于实验后进行分析 反射式高能电子衍射图中用来初步判断外延膜的结晶质量 表面平整度以及晶格结构 的信息有