立方氮化硼薄膜的磁控溅射制备和掺杂研究

摘要

立方氮化硼(c-BN)是一种人工合成的宽带隙III-V族化合物半导体材料，它有许多优异的物理化学性质，如仅次于金刚石的硬度、高温下强的抗氧化能力、不易与铁族元素反应、宽的波长(从红外到紫外光谱)范围内很好的透光性、可实现n型和p型掺杂等。立方氮化硼(c-BN)薄膜在力学、热学、光学、电子学等方面有着非常诱人的应用前景，多年来一直吸引着国内外众多研究者的兴趣。本文主要研究c-BN薄膜的制备与成核机理、c-BN薄膜性能的改善、c-BN薄膜的光学性质以及c-BN薄膜的掺杂研究。 运用射频(13.56MHz)磁控溅射系统在Si衬底上制备氮化硼薄膜，在衬底温度、衬底偏压、工作气压等条件一定的情况下，分别探究氮气含量或溅射功率对制备高质量的氮化硼薄膜的影响。实验结果表明，工作气体中氮气比例为30％、溅射功率为250W时得到质量较好的六角氮化硼薄膜。 从能量和结构两个角度分析了h-BN到c-BN的转变机理，以及缺陷对相变的影响。同时，在Si衬底与BN薄膜之间增加Ni过渡层，研究Ni过渡层、退火对c-BN薄膜质量的改善。结果表明，Ni过渡层的增加有利于提高薄膜与衬底之间的黏附性，退火能够修复薄膜中的缺陷、减小薄膜中的压应力，且当退火温度为900℃薄膜中发生明显的h-BN向c-BN的转变，使得薄膜中立方相含量高达90％。 测量了Si衬底上薄膜的红外吸收光谱、熔融石英衬底上薄膜的紫外反射和透射光谱。根据红外吸收光谱估算出薄膜中立方相含量约为66％，利用紫外反射和透射光谱法计算了c-BN薄膜的光吸收系数α、光学带隙Eg和折射率n。 采用原位掺杂S的方法，对BN薄膜进行了n型掺杂研究。使用FTIR谱和XPS谱对样品进行表征，并使用Keithley6517高阻仪分别测量并比较了未掺杂样品、掺杂未经退火样品以及掺杂后经退火处理样品的表面I-V特性。实验发现，掺杂并经高温退火处理后，薄膜的电阻率下降约3个数量级，成功地实现了BN薄膜的原位掺杂。同时，利用离子注入Zn的方法，对薄膜进行了p型掺杂，并实现了较好的金属Al与半导体p-c-BN之间的欧姆接触。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1立方氮化硼的结构

1.1.1氮化硼的同素异构体

1.1.2 cBN的正四面体结构

1.2立方氮化硼的性质与制备

1.2.1cBN的性质及应用前景

1.2.2cBN单晶的制备方法

1.3立方氮化硼薄膜的制备与表征

1.3.1cBN薄膜的制备方法

1.3.2cBN薄膜的生长机理

1.3.3 cBN薄膜的表征

1.4立方氮化硼薄膜的研究进展与面临的问题

1.4.1黏附性问题

1.4.2非立方相存在问题

1.4.3重复性和外延生长问题

1.5本文的研究内容

第2章射频磁控溅射法制备立方氮化硼薄膜

2.1射频磁控溅射系统

2.2射频磁控溅射原理

2.2.1辉光放电原理

2.2.2射频磁控溅射机理

2.3溅射镀膜

2.3.1溅射镀膜的种类

2.3.2磁控溅射镀膜的特点

2.4在Si衬底上制备cBN薄膜

2.4.1实验过程

2.4.2氮气含量对制备cBN薄膜的影响

2.4.2溅射功率对制备cBN薄膜的影响

2.5本章小结

第3章立方氮化硼薄膜的相结构研究

3.1 BN薄膜中相变机理

3.1.1 hBN与cBN间的相转变理论

3.1.2缺陷对hBN转化为cBN的促进作用

3.2退火对BN薄膜中立方相含量的影响

3.2.1实验

3.2.2结果分析

3.3 Ni过渡层对BN薄膜质量的改善

3.3.1实验

3.3.2结果分析

3.4本章小结

第4章立方氮化硼薄膜的光谱研究

4.1薄膜样品透射比和反射比的理论依据

4.1.1光波从空气入射到固体表面的反射和透射

4.1.2薄膜样品的透射比和反射比

4.2 BN薄膜的光吸收

4.2.1直接跃迁与间接跃迁

4.2.2 BN薄膜的吸收系数

4.3 cBN薄膜的光学常数计算

4.3.1薄膜样品的制备与光谱测试

4.3.2紫外反射、透射光谱计算薄膜的光学常数

4.4本章小结

第5章立方氮化硼薄膜的掺杂研究

5.1半导体的掺杂

5.1.1掺杂方法

5.1.2掺杂机理

5.2 cBN薄膜的n型掺杂

5.2.1实验

5.2.2结果分析

5.3 n型cBN薄膜的表面Ⅰ-Ⅴ特性

5.3.1实验

5.3.2结果分析

5.4 cBN薄膜的p型掺杂及电学性质

5.4.1金属半导体接触的基本理论

5.4.2 p型cBN薄膜的制备与表征

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢