等离子体增强原子层沉积低温生长InN薄膜

摘要

氮化铟（InN）是Ⅲ族氮化物半导体材料中重要的组成部分，它具有最小的电子有效质量、最高的载流子迁移率和饱和漂移速率等，这些优异性使 InN广泛应用于高效低成本太阳能电池，传感器，太赫兹发射和探测器件等。并且它的禁带宽度在0.7eV左右，这样较窄的禁带宽度使其与其它Ⅲ族氮化物形成合金，便能使发光波长从红外到深紫外范围变化。近几年，对如何生长高质量的InN薄膜的研究越来越多。最主要的工作便在于生长 InN方法的研究和衬底材料的选择。目前，最常见的InN薄膜的制备方法有分子束外延法（MBE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、磁控溅射、原子层沉积（ALD）等。原子层沉积（ALD）是一种在衬底上交替引入前驱体，通过在表面交替的饱和反应进行的自限制生长薄膜的方法。该方法具有薄膜均匀性好，生长温度低，薄膜厚度精确控制，台阶覆盖好等优点，而等离子体增强原子层沉积（PE-ALD）技术中等离子体的引入来提供生长所需的N源，进一步降低了InN薄膜生长过程的温度。
　　本研究利用PE-ALD设备，对ALD生长InN薄膜材料进行了探究，并着重探究了氧化锌（ZnO）作为InN生长的衬底的可行性。首先通过几组实验，研究了 InN薄膜生长的几个重要参数：In源（三甲基铟）的出源温度、射频等离子体功率的大小、以及衬底温度，通过椭偏仪和XRD对样品进行表征，我们得到了生长InN的优化参数，并找到了ALD生长模式的温度窗口。随后，利用优化后的参数，分别在Si、蓝宝石、GaN以及ZnO上同时进行生长InN薄膜的实验，以及之后在不同的衬底温度下，单独在ZnO衬底上生长InN薄膜，研究在ZnO衬底上衬底温度对InN薄膜质量的影响。通过XRD（GIXRD和高分辨XRD）的图谱对比分析，我们发现四种衬底上都生长得到了 InN薄膜，但只有在 GaN和ZnO衬底上实现了<001>方向择优生长，且ZnO上的衍射峰强于GaN。通过SEM扫描图谱我们发现在四种衬底上生长的均为多晶。根据 XRD结果，可知ZnO衬底上生长的择优取向强，为马赛克结构的类单晶薄膜。通过AFM扫描图谱发现在2μm×2μm的范围内，ZnO具有最小的均方根粗糙度。通过各种实验结果得到以下结论：ALD生长速率随衬底温度的变化而变化，存在一个ALD生长模式的温度窗口，在窗口内，生长速率不受温度影响；ZnO与InN的晶格失配度小，热膨胀系数相近，同时PE-ALD的低温条件解决了ZnO作为衬底易挥发的弊端，所以ZnO可以作为InN薄膜的衬底，在未来新型InN光电器件中具有很好的应用前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 InN薄膜的研究进展及应用

1.3 InN材料的基本性质

1.4 本题的选题依据

1.5 本论文的主要研究内容及工作安排

第2章 等离子辅助原子层沉积系统及表征方法

2.1 引言

2.2 PE-ALD系统简介

2.3 薄膜质量的表征方法

第3章 InN薄膜的生长及优化

3.1 衬底的处理

3.2 In源出源温度的确定

3.3 射频功率大小的确定

3.4 衬底温度的确定

3.5 本章小结

第4章 InN薄膜材料在不同衬底上生长及对比研究

4.1 衬底的选取

4.2 不同衬底下InN薄膜的生长

4.3 不同衬底温度在ZnO衬底上的InN薄膜生长

4.4 结果与分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献