立方AIN薄膜的激光分子束外延生長及其表面演變的研究.pdf

1、AlN半導體薄膜的亞穩(wěn)立方結(jié)構(gòu)相比其穩(wěn)定的六方相具有獨特的性質(zhì)，如高度的晶體對稱性有望降低光子散射和摻雜難度、(001)生長方向不存在極化電場等，是極具潛力的光電子和微電子材料。但是，立方 A1N的亞穩(wěn)特性使得其薄膜的外延生長十分困難。激光分子束外延是一種優(yōu)異的非平衡成膜技術(shù)，非常適用于亞穩(wěn)AlN的外延生長。因此本論文采用該技術(shù)在MgO襯底上制備立方AlN薄膜，系統(tǒng)研究了襯底溫度、激光能量、激光頻率和N2分壓對薄膜晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌的影

2、響，揭示了薄膜的能帶結(jié)構(gòu)和光電特性，并分析了薄膜的表面演變機制，主要研究結(jié)果如下：
　　 1.襯底溫度在650～750℃、激光能量在80～150mJ/p時，在MgO(100)襯底上均制備出了(200)單一擇優(yōu)取向的立方AlN薄膜，其中襯底溫度為700℃、激光能量為150mJ/p時，立方AlN薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌最好。
　　 2.當N2分壓為0.01Pa時，AlN薄膜以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)存在；N2分壓在0.1～10Pa范圍時，

3、AlN薄膜呈立方(200)面擇優(yōu)取向，隨著N2分壓的增加立方AlN薄膜的結(jié)晶取向變差。激光頻率在5～9Hz范圍時，立方AlN薄膜呈單一的(200)擇優(yōu)取向，且隨著頻率的增加，薄膜的橫向振動吸收出現(xiàn)寬化。在10Hz時，AlN薄膜呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。因此，MgO(100)襯底上制備立方AlN薄膜的優(yōu)化工藝參數(shù)為：襯底溫度為700℃，激光能量為150mJ/p，N2分壓為0.1Pa，激光頻率為5Hz。
　　 3.在優(yōu)化工藝條件下制備的立方

4、AlN薄膜與襯底的取向關(guān)系為AlN(100)[100]‖MgO(100)[100]，其光學電子禁帶寬度為5.06eV，介電常數(shù)約為8.2。
　　 4.立方AlN薄膜的表面演變分析表明，隨著沉積時間的增加薄膜呈Stranski-Krastanov生長模式。在沉積初期，AlN原子傾向于優(yōu)先沉積在襯底臺階處，表面粗糙度略有增加。隨后，薄膜表面變得起伏不平，出現(xiàn)三維島狀AlN。在接下來的三維島狀生長中，表面粗糙度快速上升，而且在島的頂部