立方AlN薄膜的激光分子束外延法制备及性能研究

摘要

本文采用激光分子束外延法在Si(100)衬底上制备立方AlN薄膜，系统研究了沉积工艺(主要是衬底温度、激光脉冲能量、N2分压)和TiN缓冲层对薄膜生长和质量的影响。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜、UV-VIS分光光度计，椭圆偏振仪，傅里叶变换红外光谱仪、半导体参数分析仪等对薄膜的结构、表面形貌、成分和光电性能进行了分析，主要结果如下：
　　 1.在Si(100)衬底上直接激光分子束外延AlN薄膜时，薄膜均表现为六方纤锌矿结构。薄膜的结晶质量和表面形貌随着衬底温度的提高而改善，且AlN薄膜由(100)转为(002)晶面择优取向。激光能量的提高也可以提高薄膜的结晶质量，但使其表面形貌变差。
　　 2.在Si(100)衬底上制备TiN缓冲层时，TiN薄膜中的N含量随着N2分压的提高而增大，在Ti：N比为1:1时薄膜的结晶质量最好。激光能量对TiN薄膜结晶质量的影响不明显，但激光能量较低时有助于改善薄膜的表面形貌。TiN薄膜对红外光具有很高的反射率，反射极小值与N、Ti的化学计量比和结晶质量相关。
　　 3.以TiN为缓冲层，在Si(100)衬底上成功制备了结晶质量优异的立方AlN薄膜。在合适的激光脉冲能量下，AlN和TiN薄膜均呈二维层状模式生长，且皆为具有(200)择优取向的立方氯化钠结构，二者形成良好的外延关系。AlN薄膜在可见光及近红外区域具有较高的反射率，在近紫外区域波长为246nm处发生强烈吸收，得到立方AlN薄膜的禁带宽度为5.04eV；在250-1700nm波长范围内，立方AlN薄膜的折射率为1.66-2.22。金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的电容-电压(C-V)分析表明，立方AlN薄膜的介电常数为8.1。