射頻磁控濺射AlN薄膜的場(chǎng)發(fā)射性能研究

吳成澤，汪劍波，龔楠，馮禹，連宇翔，孫貫成，于淼

（長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

射頻磁控濺射AlN薄膜的場(chǎng)發(fā)射性能研究

吳成澤，汪劍波，龔楠，馮禹，連宇翔，孫貫成，于淼

（長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

氮化鋁（AlN）是一種寬禁帶深紫外半導(dǎo)體材料，其良好的性能可作為紫外固態(tài)光源。采用射頻磁控濺射法，在p型Si（100）襯底上制備了AlN薄膜。通過(guò)X射線衍射分析（XRD）、紫外-可見(jiàn)光光譜（UV-Vis）、場(chǎng)發(fā)射測(cè)試對(duì)制備的AlN薄膜進(jìn)行了測(cè)試分析，針對(duì)薄膜生長(zhǎng)特性對(duì)光吸收的影響及其場(chǎng)發(fā)射性能進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示：在Si襯底上成功的制備了高度（002）取向的AlN薄膜，薄膜在230～250nm間有強(qiáng)紫外吸收，閾值電場(chǎng)為6.39V/μm。場(chǎng)發(fā)射測(cè)試結(jié)果表明，磁控濺射法制備的AlN薄膜具備良好的場(chǎng)發(fā)射性。

磁控濺射；AlN薄膜；禁帶寬度；場(chǎng)發(fā)射性

近年來(lái)，氮化鋁（AlN）作為一種紫外固態(tài)光源、紫外探測(cè)器等應(yīng)用的理想材料受到了廣泛關(guān)注。高效率的紫外固態(tài)光源，如發(fā)光二極管（LEDs）和激光二極管（LDs）［1，2］，在業(yè)界被認(rèn)為是效率較低的氣體激光器和汞燈的良好替代者。微電子制造工藝和環(huán)境科學(xué)的進(jìn)步發(fā)展需要一種擁有更短發(fā)光波長(zhǎng)的光源。同時(shí)，紫外發(fā)光光源在高精度光學(xué)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、生物醫(yī)學(xué)研究、空氣和水資源凈化與消毒方面有著良好的應(yīng)用前景［3］。AlN是一種性能優(yōu)良的III-V族化合物，直接帶隙半導(dǎo)體材料，擁有非常寬的禁帶寬度（Eg≈6.2eV），以及優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，如高擊穿場(chǎng)強(qiáng)（10kV/m）、極低的暗電流、高電阻率、良好的熱穩(wěn)定性、以及良好的光學(xué)及力學(xué)性能［4］。研究表明，薄膜的性能依賴于薄膜的相組成、能帶結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和結(jié)晶度等，高品質(zhì)的薄膜有利于研究其性能及其器件應(yīng)用的發(fā)展，國(guó)外制備高品質(zhì)AlN薄膜通常使用MOCVD方法［5］，方法較為復(fù)雜，成本較高，而磁控濺射法則可以在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)AlN薄膜的制備且成本較低［6］。

磁控濺射是制備薄膜的基本技術(shù)之一，其基本原理是低真空條件下的冷等離子體輝光放電。由于沉積的薄膜性能優(yōu)良，磁控濺射技術(shù)目前已在磨損、潤(rùn)滑、光學(xué)和電子半導(dǎo)體等功能性薄膜領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［7］。磁控濺射利用磁場(chǎng)對(duì)電子的束縛，使其在靶材與基板間做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而促進(jìn)工作氣體氬氣電離，更加充分地利用了電子的能量［8］。

本文利用射頻磁控濺射法在硅沉底上制備AlN薄膜，研究制備時(shí)間對(duì)AlN薄膜結(jié)構(gòu)的影響，分析了樣品結(jié)構(gòu)特性變化時(shí)薄膜光學(xué)特性的改變及其產(chǎn)生原因，在其基礎(chǔ)上優(yōu)化制備參數(shù)，制備出結(jié)晶良好的AlN薄膜，并對(duì)其場(chǎng)發(fā)射特性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，磁控濺射方法可獲得結(jié)晶性和場(chǎng)發(fā)射特性良好的AlN薄膜。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 薄膜制備

采用丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水分別作為清洗液，對(duì)Si（100）襯底進(jìn)行表面超聲清洗，以去除氧化物、雜質(zhì)。利用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器中心生產(chǎn)的FJL-520A型磁控濺射系統(tǒng)，以氬氣（Ar，99.99%）作為工作氣體，氮?dú)猓∟2，99.99%）作為反應(yīng)氣體；以純鋁（99.99%）作為靶材，進(jìn)行反應(yīng)濺射。進(jìn)行濺射鍍膜之前，通入Ar進(jìn)行10min的預(yù)濺射，清洗靶材，隨后向倉(cāng)體內(nèi)通入反應(yīng)氣體N2，直至達(dá)到所需要的氣體流量。濺射條件為：靶基距45mm，氣體流量比Ar∶N2=7.5∶15sccm，濺射壓強(qiáng)0.5Pa，濺射功率300W，基片溫度400℃，負(fù)偏壓-40V。濺射時(shí)間分別為：60min（樣品A）、120min（樣品B）和180min（樣品C）。

1.2 表征方法

采用北京普析通用有限責(zé)任公司生產(chǎn)的XD-2型X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行相組成分析，測(cè)試條件為：CuKα1，管電壓40kV，管流30mA，掃描步長(zhǎng)為0.01°；采用美國(guó)維易科（VEECO）儀器公司生產(chǎn)的DEKTAK150表面輪廓儀測(cè)量薄膜厚度，掃描范圍3000mm，掃描步長(zhǎng)0.25μm，掃描時(shí)間30s；采用島津紫外分光光度計(jì)（UV-Vis）對(duì)制備的薄膜樣品進(jìn)行紫外吸收光譜測(cè)試，掃描波長(zhǎng)范圍300～550nm；場(chǎng)發(fā)射特性由沈科儀生產(chǎn)的RF-PECVD設(shè)備在真空度達(dá)到2×10-4Pa以下時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行場(chǎng)致發(fā)射特性測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中施加的電壓不高于3kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射（XRD）結(jié)果

圖1給出不同制備時(shí)間下樣品的XRD圖譜。從圖1中可以看出，制備時(shí)間為60min（樣品A）時(shí)，樣品為非晶結(jié)構(gòu)，隨著制備時(shí)間的增加，樣品在36.100°處出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰，且結(jié)晶取向單一（樣品C），通過(guò)比對(duì)該衍射峰為纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlN（002）的衍射峰。這是由于在短的濺射時(shí)間下表面原子沒(méi)有足夠能量，因此沒(méi)有足夠的結(jié)合能形成晶粒，原子排列傾向于無(wú)序排列，結(jié)晶性較差。隨著濺射時(shí)間的增加，襯底表面的原子不斷獲得能量，原子的遷移能力增強(qiáng)，遷移率提升，薄膜中原子排列趨于有序，最終呈現(xiàn)出結(jié)晶相。

圖1 不同濺射時(shí)間下AlN薄膜的X射線衍射圖譜

根據(jù)Scherer公式［9］：

計(jì)算樣品C的晶粒尺寸。其中D為晶粒尺寸，k為常數(shù)，通常取1，λ為X射線波長(zhǎng)，β為衍射峰半高寬，θ為衍射角。計(jì)算結(jié)果如表1：

表1 AlN薄膜樣品理論晶粒尺寸

Scherer公式計(jì)算得出的晶粒尺寸在幾十納米范圍與實(shí)際符合較好，所以此計(jì)算結(jié)果能夠反應(yīng)出薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。從表1中可以看出，樣品已經(jīng)具有良好的結(jié)晶特性。

2.2 生長(zhǎng)速率

利用表面輪廓儀測(cè)得濺射時(shí)間分別為60min，120min，180min的薄膜結(jié)構(gòu)厚度，如表2所示。從表中可以看出，隨著濺射時(shí)間的延長(zhǎng)，由于過(guò)渡層的形成，促進(jìn)了薄膜生長(zhǎng)速率的提升，從而加速了樣品的結(jié)晶化。通過(guò)計(jì)算得出平均生長(zhǎng)速率為3.96nm/min，與T.Shiosaki［10］等人報(bào)道的生長(zhǎng)速率相近。

表2 不同濺射時(shí)間的AlN薄膜樣品膜厚

2.3 紫外吸收

圖2給出了不同制備時(shí)間下樣品的可見(jiàn)光-紫外吸收光譜。作各樣品吸收邊的斜率曲線，從圖中可以看出，各樣品的吸收邊大于208nm，且隨著制備時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品的紫外吸收邊發(fā)生紅移。

圖2 不同濺射時(shí)間的AlN薄膜的紫外吸收光譜

根據(jù)波長(zhǎng)λ與禁帶寬度Eg滿足關(guān)系：

其中，h為普朗克常量，c為光速。通過(guò)計(jì)算得出所制備樣品的禁帶寬度分別為：60min：5.20eV；120min：4.93eV；180min：4.83eV。

AlN的禁帶寬度在室溫下一般為6.0～6.2eV，通過(guò)禁帶寬度與波長(zhǎng)的關(guān)系得出單晶AlN薄膜光吸收理論值在207.17～200.48nm之間，所測(cè)得的薄膜吸收波長(zhǎng)最短在238.76nm，最長(zhǎng)為257.19nm，均與理論值有所偏差，這是由于磁控濺射鍍膜時(shí)基片上首先形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間增加進(jìn)而形成結(jié)晶相，所以沉積的薄膜不是單晶結(jié)構(gòu)；另外由于AlN的晶格對(duì)氧有較大的親和力，薄膜不可避免地混入氧雜質(zhì)，其中一部分“溶解”在晶格中，另一部分則在其表面形成氧化膜。因此，薄膜結(jié)晶不完善導(dǎo)致的非晶結(jié)構(gòu)和存在的內(nèi)部空缺及氧原子的影響，使其能級(jí)低于6.2eV，導(dǎo)致其禁帶寬度變窄。同時(shí)，隨著濺射時(shí)間的增加，薄膜的厚度也隨之增加，無(wú)定型結(jié)構(gòu)含量將會(huì)增加，禁帶寬度也會(huì)因此減小，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)濺射時(shí)間為120min和180min樣品的禁帶寬度的減小量變小，這是由于在此條件下，薄膜中非晶結(jié)構(gòu)進(jìn)一步結(jié)晶減緩了因膜層增厚而導(dǎo)致的禁帶寬度減小，這與XRD結(jié)果相符。

2.4 場(chǎng)發(fā)射特性

對(duì)樣品C進(jìn)行了場(chǎng)發(fā)射性能表征。結(jié)果分別是在p型Si（100）襯底上濺射時(shí)間為180min薄膜的場(chǎng)發(fā)射J-E曲線與F-N曲線（圖3、圖4）。根據(jù)閾值電場(chǎng)的定義：當(dāng)場(chǎng)發(fā)射電流為0.5μA時(shí)，陽(yáng)極與樣品之間最低電壓為閾值電壓，其對(duì)應(yīng)電場(chǎng)為閾值電場(chǎng)［11］。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到了此薄膜樣品的閾值電場(chǎng)為6.39V/μm，并由圖可知，當(dāng)電場(chǎng)增至11V/μm時(shí)，發(fā)射電流密度為68μA/cm2。從F-N曲線圖中可知，曲線近似為一條直線，符合經(jīng)典的F-N理論公式，表明發(fā)射是通過(guò)電子隧穿表面勢(shì)壘完成的。由于Si/AlN界面勢(shì)壘較低，電子較容易從Si襯底上注入AlN薄膜，導(dǎo)致其具有較低的閾值電場(chǎng)和較大的發(fā)射電流。

圖3 AlN薄膜的場(chǎng)發(fā)射測(cè)試J-E關(guān)系曲線

圖4 AlN薄膜的場(chǎng)發(fā)射測(cè)試F-N關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本論文利用磁控濺射方法，在p型Si襯底上制備了（002）取向生長(zhǎng)的氮化鋁（AlN）薄膜，通過(guò)優(yōu)化制備時(shí)間得到了結(jié)晶性較好的AlN薄膜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其（002）生長(zhǎng)取向的可控制備。由于受到非晶結(jié)構(gòu)以及雜質(zhì)的影響，所制備AlN薄膜的禁帶寬度與理論值產(chǎn)生偏差，隨著濺射時(shí)間的增加，薄膜的進(jìn)一步結(jié)晶將弱化這些因素的影響。

AlN薄膜的場(chǎng)發(fā)射測(cè)試結(jié)果表明，所制備薄膜的閾值電場(chǎng)較低，發(fā)射電流較大，且F-N曲線近似為直線，說(shuō)明制備的AlN薄膜具備良好的場(chǎng)發(fā)射特性。

［1］Tsai Chialung，Liu Hsuehhsing，Chen Junwei，et al. ImprovingthelightoutputpowerofDUV-LED by introducing the intrinsic last quantum barrier interlayeronthehigh-qualityAlNtemplate［C］// Next-Generation Electronics（ISNE），2016 5th International Symposium on.IEEE，2016：1-2.

［2］Kneissl Michael，Yang Zhihong，Teepe Mark，et al. Ultraviolet semiconductor laser diodes on bulk AlN［J］.JournalofAppliedPhysics，2007，101（12）：123103.

［3］Taniyasu Yoshitaka，Kasu Makoto，Makimoto Toshiki.An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres［J］.Nature，2006，441（7091）：325-328.

［4］Li J，F(xiàn)an Z Y，Dahal R，et al.200nm deep ultraviolet photodetectors based on AlN［J］.Appl.Phys. Let，2006，89（21）：213510.

［5］Liang F，Chen P，Zhao D G，et al.Large field emissioncurrentfromSi-dopedAlNfilmgrown by MOCVD on n-type（001）6H-SiC［J］.Chemical Physics Letters，2016（651）：76-79.

［6］鄺許平.射頻磁控反應(yīng)濺射低溫制備高C軸擇優(yōu)取向的氮化鋁薄膜［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

［7］楊武保.磁控濺射鍍膜技術(shù)最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)［J］.石油機(jī)械，2005，33（6）：73-76.

［8］李芬，朱穎，李劉合，等.磁控濺射技術(shù)及其發(fā)展［J］.真空電子技術(shù)，2011（3）：49-54.

［9］周婧，趙高凌，韓高榮.鍺摻雜二氧化鈦薄膜的溶膠凝膠法制備和性能研究［J］.功能材料，2009，40（12）：2000-2003.

［10］Shiosaki T，Yamamoto T，Oda T，et al.Lowtemperature growth of piezoelectric AlN film by rf reactive planar magnetron sputtering［J］.Appl.Phys. Lett，1980，36（8）：643-645.

［11］李英愛(ài).氮化鋁薄膜的制備及場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)［D］.吉林大學(xué)，2004.

Field Emission Properties of AlN Thin Films Prepared by RF Magnetron Sputtering

WU Chengze，WANG Jianbo，GONG Nan，F(xiàn)ENG Yu，LIAN Yuxiang，SUN Guancheng，YU Miao
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

AlN is a wide band gap deep ultraviolet semiconductor material，its good performance can be used as a solid-state ultraviolet light source.AlN thin films were deposited on Si（100）substrate by RF magnetron sputtering. The sample was characterized by means of X ray diffraction（XRD），ultraviolet visible spectroscopy（UV-Vis）and field emission test，the effect of growth characteristics on the absorption of light and its field emission properties were investigated.The results show that a high（002）AlN films were successfully deposited on the Si substrate，it has strong absorption at 230～250nm and the threshold electric field is 6.39V/μm.The field emission test results show that the prepared AlN films have good field emission properties.

magnetron sputtering；AlN thin films；band gap；field emission properties

O469

A

1672-9870（2017）01-0043-04

2016-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（61405189）；吉林省教育廳科技項(xiàng)目（2013-378）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2013S010）；吉林省科技計(jì)劃項(xiàng)目（自然科學(xué)基金項(xiàng)目）（20150101019JC）

吳成澤（1991-），男，碩士研究生，E-mail：wcz808@163.com

汪劍波（1978-），男，副教授，E-mail：wangjianbo@126.com