碳/硅掺杂六方氮化硼(h-BN)薄膜的制备与性能研究

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六方氮化硼(h-BN)作为一种类石墨烯Ⅲ-Ⅴ族半导体材料,拥有众多良好的物理化学性能。而在进行选择性掺杂后,h-BN将具有优异的导电、压电等半导体特性,是薄膜晶体管、三极管、自旋半导体器件以及短波长发光器件的重要候选材料之一,成为目前研究的热点。本文分别采用中频双极(IFBP)与射频(RF)磁控溅射法在单晶硅基底上制备掺碳六方氮化硼(h-BN:C)与掺硅六方氮化硼(h-BN:Si)薄膜,并于沉积后进行退火处理,对薄膜的结构、形貌、原子组成和电学特性进行了系统的研究。研究结果表明:两种溅射方法均成功在Si基片上制备出致密连续的h-BN:C薄膜,其电阻率可低至2.9×1042.5×105Ω·cm。制备得到的沉积态h-BN:C薄膜均由细小颗粒组成的无定型态,结晶度较差。而经过退火处理后,发现IFBP磁控溅射制备的h-BN:C薄膜形成颗粒状结构,主要晶向为(101),同时该方法具有较快沉积速率,制备出的薄膜结构更稳定;而RF磁控溅射制备的h-BN:C薄膜经700℃退火处理后形成了明显的层状结构,主要晶向为(200)。XPS与Raman结果表示薄膜中已经形成了(B-)C-N、B-C、N-C等化学键,证明了C已经被成功掺杂进h-BN中形成了新的六元环结构。随着退火温度在600℃1000℃内升高,薄膜的结晶性与表面粗糙度先增大后减少。此外,在溅射气氛中掺入一定量H2对提高h-BN:C薄膜稳定性极为重要,而沉积后的低温退火处理更可提高其结晶性和稳定性。在制备h-BN:Si薄膜的实验中,Raman结果表示可知掺Si后h-BN薄膜仅在1366 cm-1处出现明显的拉曼峰,说明薄膜主要保持着h-BN结构生长。且与制备h-BN:C薄膜时相同,通过IFBP制备的薄膜结晶度高,结构稳定,薄膜主要以颗粒状生长;而RF磁控溅射制备的h-BN:Si薄膜以层状为主。此外,退火处理可以消除沉积过程中产生的悬挂键及氧杂质等缺陷,从而进一步薄膜提升薄膜稳定性。对比退火温度下发现经700℃下退火的样品拉曼峰半峰宽最窄,强度最大,且对应表面颗粒较大,分布均匀,说明在h-BN:Si的制备中,700℃退火处理更有助于h-BN的形成。掺杂后的h-BN:Si表面电阻最低可达2.0×103Ω,且与p型Si基底之间出现明显p-n结特性,进一步说明了Si元素成功被掺杂入h-BN内形成n型半导体。此外,薄膜的导电性会随着Si掺杂量的增加而变好。增长退火时间可以在保持薄膜结构稳定的前提下,增大薄膜表面层状结构的面积,使得层状结构均匀性更好,分布更致密。晶粒尺寸明显长大,最大接近50μm2
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