硅摻雜鋁鎵氮薄膜場發(fā)射性能研究*

王京 王如志? 趙維 陳建 王波 嚴(yán)輝

1)(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院薄膜實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

2)(中山大學(xué)測試中心，廣州 510275)

(2012年5月1日收到;2012年7月30日收到修改稿)

1 引言

近年來，對(duì)于場發(fā)射性能的研究人們主要關(guān)注納米線、量子點(diǎn)等方面[1,2].然而，由于納米陣列結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，寬帶隙半導(dǎo)體薄膜作為半導(dǎo)體陰極也引起了人們的極大關(guān)注[3].III族氮化物半導(dǎo)體，AlGaN作為寬帶隙材料有著豐富的電學(xué)性能[4]，能在表面實(shí)現(xiàn)負(fù)的電子親和勢，是合適的場發(fā)射陰極材料[5].為改善單層薄膜場發(fā)射性能，目前研究工作主要集中在開發(fā)新材料及材料改性兩個(gè)方面[6,7].我們小組在AlGaN薄膜成分調(diào)制和取向調(diào)制等方面已有一些進(jìn)展[8,9]，材料改性也需要相應(yīng)跟進(jìn).

摻雜是一種最重要的改變寬帶隙半導(dǎo)體性能的方法，可以改變半導(dǎo)體的遷移率、載流子濃度及電阻率等一系列電學(xué)特性，從而從改變半導(dǎo)體的性能.研究表明，寬帶系半導(dǎo)體隨著n摻雜可提高電子濃度，使得電子發(fā)射數(shù)量增加[10].對(duì)于場發(fā)射而言，更多的電子供給可以降低閾值電壓，提升發(fā)射電流密度，從而增強(qiáng)場發(fā)射性能.所以，探討n型摻雜AlGaN調(diào)控其場發(fā)射性能的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義.

本文利用脈沖激光沉積法，制備了一系列不同Si摻雜濃度的AlGaN薄膜(n型摻雜)，并探討了其場發(fā)射性能.在保持其他工藝參數(shù)不變的條件下，探索AlGaN薄膜的場發(fā)射性能隨Si摻雜濃度變化的影響.研究結(jié)果可為AlGaN場發(fā)射薄膜性能改善提供有益的參考.

2 薄膜樣品的制備

利用脈沖激光沉積系統(tǒng)在硅片(001)上制備Si摻雜的Al0.25Ga0.75N薄膜.真空室背底真空抽至5×10-4Pa，充入純度99.99%的氮?dú)猓瑸R射氣壓 1Pa，激光能量 3 J/cm2，頻率 13 Hz，襯底溫度850°C，薄膜沉積時(shí)間15 min.靶材為純度99.99%的GaN和AlN納米粉體按照3：1混合，按照III族原子與Si原子的原子比例分別制成0.5%，1%，2%摻雜的Al0.25Ga0.75N靶材，為了更準(zhǔn)確地測量樣品的電阻率等其他電學(xué)性能，采用同樣工藝參數(shù)，在石英上制備一組樣品.制備的薄膜樣品厚度為400 nm.

對(duì)制備好的樣品采用D-8 Advance型X射線衍射儀測量樣品的晶體結(jié)構(gòu)，X射線使用Cu靶的Kα1線.使用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)薄膜進(jìn)行表面形貌分析.用霍爾HL5500PC測試儀測試生長在石英片上的薄膜的電學(xué)性能，電阻率、遷移率及載流子濃度.場發(fā)射測試在超高真空5×10-7Pa環(huán)境下進(jìn)行，陽極為低阻Si(111)，陰極為不同摻雜的Al0.25Ga0.75N薄膜，陽極與陰極通過兩根直徑為Φ4μm的玻璃纖維隔離，樣品面積約為0.5 cm2.

3 結(jié)果與討論

圖 1為 Si(001)襯底上生長的摻雜 1%的Al0.25Ga0.75N薄膜樣品的X射線衍射圖譜.從圖中沒有看到明顯的尖銳衍射峰，有一個(gè)以2θ=34°為中心的Al0.25Ga0.75N的衍射包，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu) GaN和 AlN的 (0002)峰位于 2θ=34°附近，Al0.25Ga0.75N樣品沒有發(fā)現(xiàn)明顯的GaN或AlN的衍射峰.說明用上述工藝參數(shù)脈沖激光沉積法制備的AlGaN薄膜樣品是非晶結(jié)構(gòu)[11].由于Si的摻入導(dǎo)致在AlGaN薄膜生長的過程中薄膜的晶格失配，導(dǎo)致結(jié)晶性變差.

圖1 Si襯底上摻雜1%的Al0.25Ga0.75N薄膜的X射線衍射圖譜

圖2為不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射性能J-E曲線.用場發(fā)射電流密度和開啟場強(qiáng)對(duì)其分析.圖2可以看出，經(jīng)過Si摻雜后，Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射性能大幅提高，在定義場發(fā)射電流密度為1μA/cm2時(shí)，陽極和樣品之間的電場值為開啟電場.從圖可知，3種不同摻雜濃度樣品開啟電場相比未摻雜樣品都下降，其中摻雜濃度為1%時(shí)性能最好.

表1為不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜樣品的場發(fā)射性能.從表1中可以看出，Si摻雜后Al0.25Ga0.75N薄膜場發(fā)射性能大幅提升，開啟電場逐漸變小，發(fā)射電流密度變大.開啟電場從 26.8V/μm 下降到 9.1 V/μm，發(fā)射電流從11.9μA/cm2增加到發(fā)射電流密度最大為432μA/cm2.隨著摻雜濃度提升，薄膜的場發(fā)射性能提升明顯，其中2%摻雜Al0.25Ga0.75N薄膜性能與1%摻雜樣品比較，其場發(fā)射性能趨向變差.

圖2 不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射J-E曲線

表1 不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射性能

圖3為不同摻雜濃度Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射Fowler-Nordheim(F-N)關(guān)系曲線.樣品的F-N曲線都是非線性的，而在高電場部分可以近似看為直線，表明電子發(fā)射是通過遂穿表面勢壘完成的.由圖可看出不同曲線在高場強(qiáng)部分斜率略有不同.理論上，電流密度與場強(qiáng)應(yīng)遵循F-N方程[12]：

其中A和B為常數(shù)，J為場發(fā)射的電流密度，E為場強(qiáng)，φ為樣品場發(fā)射功函數(shù)，β為場增強(qiáng)因子.場發(fā)射性能增強(qiáng)來源于功函數(shù)φ與場增強(qiáng)因子β的比值.薄膜未進(jìn)行表面處理，表面形貌發(fā)生改變，可以近似認(rèn)為薄膜的場增強(qiáng)因子與形貌有關(guān)[9]

其中β0為100[3]，R取決于薄膜的表面形貌.從圖4中獲取的薄膜表面形貌可知，摻雜使得薄膜形貌發(fā)生一定的改變，使得場增強(qiáng)因子增加.我們得到近似的場增強(qiáng)因子β之比為β：βdoped=1：1.56.根據(jù)F-N方程，不考慮功函數(shù)變化，在26.8 V/μm時(shí)，場增強(qiáng)因子增加使得電流密度之比為1：2.46.而實(shí)際未摻雜和摻雜1%樣品電流密度之比為1：425.這里可以看出僅考慮表面場增強(qiáng)的電流增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際場發(fā)射電流的增加，這說明表面形貌變化并不是影響場發(fā)射性能的主要因素.

圖3 Al0.25Ga0.75N薄膜場發(fā)射F-N關(guān)系曲線

因此，場發(fā)射性能增強(qiáng)可能源于功函數(shù)的變化.薄膜的功函數(shù)與費(fèi)米能級(jí)位置相關(guān)，受到薄膜摻雜濃度的影響[13].但是，半導(dǎo)體電子發(fā)射是依據(jù)導(dǎo)帶到真空能級(jí)發(fā)射的，所以改變功函數(shù)的作用不大.還需要分析隨著摻雜濃度變化，場發(fā)射性能發(fā)生改變的成因.

按照Cutler等[14]場電子發(fā)射模型，場發(fā)射基本過程分為3步：電子從基底在界面處越過肖特基勢壘注入薄膜；電子在薄膜中輸運(yùn)；電子在薄膜與真空的界面處隧穿發(fā)射.因此，基于Si摻雜AlGaN薄膜場發(fā)射基本過程如下.

首先，因?yàn)榛撞捎玫碗娮韪邠诫sn型Si(001)，AlGaN重n型摻雜可能有利于抬高費(fèi)米能級(jí)，使得電子容易從襯底越過肖特基勢壘進(jìn)入薄膜.然后，電子在薄膜中輸運(yùn)主要使薄膜的電學(xué)性能有可能受摻雜影響，薄膜中的晶格、雜質(zhì)、缺陷等的散射也會(huì)使得電子輸運(yùn)受到影響.重Si摻雜雖然可以提升薄膜的電導(dǎo)率，利于電子在薄膜內(nèi)輸運(yùn)，但過大的摻雜濃度會(huì)降低電導(dǎo).最后，電子在薄膜與真空的界面處隧穿發(fā)射，摻雜使更多的電子進(jìn)入導(dǎo)帶，提供充足的發(fā)射電子源，獲得最大的發(fā)射電流密度.

從以上場發(fā)射的基本過程可知，摻雜后隨著電子濃度的增加供給增多，適當(dāng)?shù)膿诫s濃度可以提升電導(dǎo)率，得到良好的電子輸運(yùn)，從而大幅增加AlGaN薄膜的場發(fā)射性能.

為了解不同Si摻雜Al0.25Ga0.75N薄膜樣品的電子遷移率及摻雜濃度等特性，對(duì)以同樣工藝生長在石英片上的四個(gè)不同樣品進(jìn)行了霍爾測試和I-V曲線測量.表2是不同摻雜濃度Al0.25Ga0.75N的霍爾測試.結(jié)果表明，摻雜使Al0.25Ga0.75N薄膜的載流子濃度大大提高，從1010/cm3提高到1012/cm3.

圖4 不同Al0.25Ga0.75N薄膜的原子力顯微鏡圖 (a)未摻雜;(b)Si摻雜1%

表2 不同摻雜濃度Al0.25Ga0.75N薄膜的Hall測試

對(duì)比不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的載流子濃度與最大電流密度，結(jié)果表明隨著摻雜濃度增加，場發(fā)射電流密度增加.最大電流密度和載流子濃度基本滿足正比例關(guān)系，對(duì)于n型半導(dǎo)體，可以近似如下[15]：

式中，Jlim是最大電流密度，F(xiàn)s為場強(qiáng)，ε為介電常數(shù)，n為載流子濃度，μn為電子遷移率.可見載流子濃度及電子遷移率可以直接影響場發(fā)射的最大電流.

從霍爾測試的載流子濃度，表明樣品中Si的含量1020/cm3遠(yuǎn)大于樣品載流子濃度1012/cm3，一方面可能是因?yàn)楸∧悠烦尸F(xiàn)非晶態(tài)，而且摻雜濃度很高，Si在AlGaN中溶解度不高，雜質(zhì)只是分布于局部區(qū)域，并引入局部缺陷，并沒有能形成均勻而有效的摻雜[16].另外一方面可能因?yàn)镾i在Al0.25Ga0.75N中摻雜是一個(gè)復(fù)雜的行為，Si摻雜為n型摻雜，Al0.25Ga0.75N薄膜和未摻雜薄膜都是電子導(dǎo)電，可能一部分Si原子沒有進(jìn)入III族原子位置，而是進(jìn)入氮原子位置形成p型摻雜，存在自補(bǔ)償效應(yīng)[17].

此外，不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜樣品中，隨著摻雜原子的增加，載流子濃度逐漸增加.另外由于摻雜濃度，薄膜質(zhì)量下降，電離雜質(zhì)散射效應(yīng)增加，使得電子遷移率降低.由于這兩種因素共同作用，使得當(dāng)摻雜濃度為1%時(shí)，電阻率最低，電阻率的改變影響薄膜內(nèi)部電子的輸運(yùn)，從而影響其場發(fā)射特性.

圖5 不同摻雜濃度Al0.25Ga0.75N薄膜的I-V曲線

圖5是不同Si摻雜Al0.25Ga0.75N薄膜樣品的I-V性能測試曲線.可以看出，I-V表現(xiàn)的薄膜表面電阻與霍爾測試的體電阻數(shù)值略有不同，但趨勢相同.摻雜后Al0.25Ga0.75N薄膜表面電阻均小于未摻雜的樣品.從圖中可以看出，曲線并非歐姆接觸.在四個(gè)樣品中，從曲線的最大斜率可以看出薄膜的表面電阻最高的是未摻雜的樣品.當(dāng)摻雜濃度為1%時(shí)，I-V曲線的斜率最大，說明當(dāng)摻雜濃度為1%時(shí)，表面電導(dǎo)率最好.影響材料場發(fā)射性能的因素分別是電子的供給和輸運(yùn).因此，場發(fā)射電流為電子供給及電子輸出幾率之積[18]：

式中J0=4πqmkTh-3為電子的供給，JT為隧穿幾率.以上說明，摻雜可以提高場發(fā)射電子供給，從而提高場發(fā)射性能.然而，摻雜導(dǎo)致更多缺陷的產(chǎn)生，阻礙了電子在薄膜內(nèi)的輸運(yùn)和隧穿，從而導(dǎo)致場發(fā)射性能降低.因此，合適的摻雜濃度將具有最佳場發(fā)射性能.1%Si摻雜具有最佳場發(fā)射性能，而2%Si摻雜Al0.25Ga0.75N，其場發(fā)射性能開始變差.

圖6 不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的SEM圖 (a)未摻雜;(b)摻雜1%

從圖6中可明顯看出，由于薄膜呈現(xiàn)非晶態(tài)，重?fù)诫s雖然會(huì)使薄膜載流子濃度提升，但會(huì)使得薄膜質(zhì)量下降，表面缺陷和顆粒增多，粗糙度增加，薄膜內(nèi)部更容易產(chǎn)生空位及微空洞等缺陷[19].隨摻雜濃度的增加，薄膜晶粒細(xì)化，晶界增多.同時(shí)，由于Si的摻入會(huì)導(dǎo)致薄膜缺陷密度增大，電子在薄膜中輸運(yùn)受晶界和缺陷散射增大，使電子遷移率下降.這些可從表2中清楚地看到.同樣，電子在薄膜中輸運(yùn)因受到缺陷的散射而使供給遂穿發(fā)射的電子能量降低，數(shù)量減少，從而可能導(dǎo)致場發(fā)射性能下降[20].因此相對(duì)于高摻雜2%濃度的薄膜，摻雜濃度1%的薄膜的缺陷相對(duì)較少，更利于場發(fā)射.

4 結(jié)論

利用脈沖激光沉積，制備了一系列不同Si摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜.對(duì)此薄膜進(jìn)行場致電子發(fā)射測試表明，相比未摻雜的薄膜樣品，Si摻雜濃度為1%的Al0.25Ga0.75N薄膜，具有最佳的場發(fā)射性能，其開啟電場相對(duì)于未摻雜樣品顯著降低.通過對(duì)電阻率、電子遷移率及表面微結(jié)構(gòu)的測試與分析，表面合適的Si摻雜濃度Al0.25Ga0.75N薄膜具有最佳場發(fā)射性能，這是由于摻雜增加了場發(fā)射的電子供給的同時(shí)，摻雜缺陷阻礙了薄膜內(nèi)部的電子輸運(yùn).本研究結(jié)果為高性能新型AlGaN薄膜真空電子器件設(shè)計(jì)與制備提供了有意義的參考.

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