磁控溅射法制备InxAl1-xN薄膜及其性能测试

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鉴于InxAl1-xN具有更高的肖特基势垒和更强的自发极化效应,能产生高的二维电子气密度和载流子浓度,成为商用和军用的高功率、高频GaN基器件以及高电子迁移率晶体管的理想材料;而且InxAl1-xN薄膜中In含量的改变使材料的禁带宽度在0.7~6.2 eV连续可调。因此,研究制备出不同组分InxAl1-xN薄膜的各个工艺参数、分析其生长机理的影响规律、并且研究不同薄膜的光电性能,为开发相应器件和相应传感器提供基础数据具有重要的理论意义和实用价值。本文采用金属铟作为In源、金属Al作为Al源、氮气作为N源,使用磁控溅射系统,在Si(111)衬底上生长AlN和InN薄膜。在改变工艺参数的条件下制备出不同的薄膜样品,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)等现代仪器分析样品的晶体结构、元素分布和微观结构,结果制备出了最理想的InN正六棱柱纤锌矿结构,以及表面非常平整的AlN薄膜,并探究出生长薄膜的优化工艺为:衬底温度为600℃、工作气压为0.6 Pa、Ar和N2流量比为20:20、溅射功率(In:70W;Al:250W)。分析结果发现了 InN与AlN薄膜都是在压强、温度以及Ar和N2流量比的共同作用下在2D生长模式与3D生长模式之间转变的生长机理。在制备InN和AlN的基础上,采用In和Al双靶共溅射制备InxAl1-xN薄膜,并探究制备不同组分薄膜的工艺条件。虽然实验发现,当温度太高时所制备薄膜中的In会升华,导致In含量减少甚至难以制备InxAl1-xN,但是我们通过改变衬底温度、工作压强、Ar和N2流量比制备出了 In含量较高的InxAl1-xN薄膜,并通过对实验样品进行表征与分析,计算出了不同的工艺参数下In组分的含量分别为0.88、0.69、0.52。进而,在室温下对样品进行霍尔测试和拉曼测试分析可知,随着In组分的增大,薄膜的电子迁移率减小,样品的Ai(LO)和E2(high)的峰位也从633.24 cm-1与688.86 cm-1处移动到595.75cm-1和650.23cm-1的位置。由于实验参数的改变,使得溅射粒子在衬底表面的能量不同,影响到了薄膜生长过程中各能量之间的转换,所以尽管都是在层-岛状模式下生长,也还是得到了不同的形貌。最后通过三种方法计算了不同In含量样品的禁带宽度,结果显示所制备InxAl1-xN样品(0.52≤x≤0.88)的禁带宽度在0.83~2.19eV,三种结果相一致。
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