氮化锌薄膜的制备研究

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氮化物是一种在电子和光电子应用方面有较大潜力的新型半导体材料,它在室温下具有高电子迁移率和良好导电性的优势。包括氮化镓、氮化铝和氮化铟等第三代半导体在内的ⅢI族氮化物已经研究了许多年了。但是关于Ⅱ族氮化物半导体的报道远小于ⅢI族氮化物。锌由于其电子结构和3d轨道对价带的影响使得氮化锌这一II族氮化物引起人们的关注。另外对n型氮化锌进行原位氧化制备p型氧化锌成为一种新兴且有效的方法。自从氮化锌出现以来,研究人员就开始尝试使用各种方法制备氮化锌薄膜。但由于锌更易与反应气氛中的氧结合导致大量的非故意氧掺杂,使得氮化锌薄膜的制备相对困难。在本文中我们使用MOCVD和磁控溅射方法在蓝宝石(0001)、石英和单晶硅衬底上制备氮化锌薄膜,并研究了不同生长条件对薄膜性质的影响。本文的研究工作和结果如下:1.采用MOCVD方法,以二乙基锌为锌源,高纯氨气为氮源,高纯氮气为保护气和载气,以蓝宝石(0001)、石英和单晶硅为衬底,生长温度为370℃-450℃,反应室压强为5torr-30torr, Ⅴ/Ⅱ族源流量比为700:1-1500:1,制备了一系列的样品。XRD结果显示,制备的薄膜基本都是多晶氮化锌薄膜。随着温度的升高,反应所需的原材料开始分解,到400℃时开始出现Zn3N2(400)峰位的衍射峰,温度继续升高会导致二乙基锌前反应的产生,降低生长速率和结晶质量。通过对薄膜性质的研究发现,利用MOCVD生长氮化锌薄膜的较好条件是反应温度为400>,反应是压强为30torr,Ⅴ/Ⅱ族源流量比为1000:1,以蓝宝石作为衬底。2.采用射频磁控溅射方法,以纯锌靶作为靶材,以氩气作为溅射气体,以氮气作为氮源,在氮气和氩气混合气中进行反应溅射。反应中生长温度为200℃,衬底与靶材的间距为6.5cm,溅射功率为45w-100w,压强为6pa-20pa,氮气与氩气的比例为1:3、1:1和3:1,制备了一系列的样品。XRD结果显示,制备的薄膜基本都是多晶氮化锌薄膜。XPS结果显示薄膜中存在着非故意氧掺杂。SEM结果显示,石英衬底上的薄膜的表面形貌很致密,但晶粒较小,蓝宝石衬底上薄膜晶粒较大。单晶硅衬底上薄膜表面的晶粒呈不规则块状,与圆形晶粒有较大差异。这说明单晶硅衬底上薄膜的生长模式和晶向与另外两种衬底不同。当溅射功率为45w时薄膜生长速率较低,仅有1.5nm/min,但结晶质量最好。反应进行时,氩气和氮气在总气氛中的比例分别影响实验的溅射和反应这两个过程。因此合适的氮氩比例是一项重要的反应条件,综合看来其受反应时的溅射功率和压强等其它条件影响。
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