（微电子学与固体电子学专业论文）Galt2gtOlt3gt薄膜的制备及特性研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 g a 2 0 3 包括六方晶型( c t - g a 2 0 3 ) 和单斜晶型( p g a 2 0 3 ) 等多种结构。其中， 1 3 - g a 2 0 3 是一种宽带隙化合物，是当前世界上一个研究热点问题。在室温下，由 于陋a 2 0 3 的光学带隙处于4 2 4 9 e v 之间，且具有良好的化学和热稳定性，因 此i - g a 2 0 3 可广泛的应用于高温氧气传感器、磁性记忆和介电层、g a a s 的消反 射镀层、g a a s 表面的钝化镀膜、深紫外光透射氧化物等方面，并且还可能代替 以硫化物为基础的磷光体。制备b - g a 2 0 3 薄膜的方法很多，主要包括喷射高温分 解法、溅射法，化学汽相淀积法( m o c v d ) 、脉冲激光淀积法( p l d ) 和电子 束蒸发法。 本文选用纯度为9 9 9 9 9 的 3 = g a 2 0 3 粉末为源材料制成陶瓷靶，在低温下采 用射频磁控溅射法在s i ( 11 1 ) 和石英衬底上直接淀积氧化镓薄膜。用x 射线衍射 ( x r d ) 、扫面电镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、傅立叶红外吸收光谱( f t i r ) 、 x 光电子能谱( x p s ) 和紫外一可见分光光度计研究了肛g a 2 0 3 薄膜在不同退火 温度和退火时间下的结构特性，表面形貌和光学特性。 由于采用低温射频磁控溅射法在s i ( 1 1 1 ) 和石英衬底上直接淀积获得的氧化 镓薄膜为非晶，因此，我们必须对非晶态的g a 2 0 3 薄膜进行退火，其退火温度分 别为8 0 0 、9 5 0 、l o o o 、1 0 5 0 、1 1 0 0 ，退火时间为2 0 分钟。薄膜的 x r d 谱从9 5 0 时开始在2 0 = 3 0 0 8 0 。，3 1 7 0 0 0 ，6 4 5 6 0 0 等处出现特征峰，这些 特征峰分别是( 0 0 4 ) 、( 2 0 0 ) 、( 1 2 2 ) 方向。这表明薄膜是多晶p g a 2 0 3 。由于 在1 0 5 0 下退火的g a 2 0 3 衍射峰为最强，因此，我们认为该温度为最佳退火温 度。 用x p s 测量在1 0 5 0 c 下退火的i l - g a 2 0 3 的表面组分时发现，g a 和o 组分之 比近似为2 ：3 。红外吸收光谱表明，随着退火温度的增加，g a o 键的吸收峰并 没有出现明显的蓝移和红移现象这是因为薄膜中存在的杂质和缺陷( 包括点缺 陷、孪晶、堆垛层错等) 较少，特别是0 空位较少，对g h o 键的影响较小， 不会使其产生异常振动，因此不会产生红移或蓝移。 在用s e m 和a f m 研究 1 _ - g a 2 0 3 薄膜表面形貌时发现， - g a 2 0 3 薄膜的晶粒 尺寸随退火温度增加而增大，薄膜的质量随退火温度的增加越来越好。另外，我 山东大学硕士学位论文 们还研究了退火时间对争g a 2 0 3 薄膜特性的影响。研究发现，退火时间越长越有 利于争g a 2 0 3 薄膜的晶化，越有利于p - g a 2 0 3 薄膜的晶粒尺寸的增加 在论文的最后，我们研究了淀积在石英衬底上的肛g a 2 0 3 薄膜在不同退火温 度下的透过率。研究发现，在4 0 0 n m 8 0 0 f i m 的可见光区，所有样品都具有7 0 以上的高透过率，在紫外区都有一个锐利的吸收边。吸收边的存在表明薄膜还保 持着基本带隙跃迁特性。随着退火温度的增加，从未退火到退火温度升高为 7 0 0 、9 0 0 ，薄膜的吸收边向短波方向移动，表明薄膜的禁带宽度随退火温度 升高而增加。而退火温度达到1 1 0 0 时又向长波方向移动。这与x r d 测量得到 的结果是一致的。由样品的透射谱可以计算出薄膜的吸收系数，进而确定不同退 火温度下薄膜的禁带宽度。 关键词：氧化镓薄膜，射频磁控溅射，结构特性，光学特性，宽带隙半导体 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a 2 0 3h a s m a n y k i n d so fs t r u c t u r e s i n c l u d i n gh e x a g o n a l c r y s t a l s t r u c t u r e ( b - g a 2 0 3 ) a n dm o n o c l i n i cc r y s t a ls t r u c t u r a - g a 2 0 3 ) t h e 争g a 2 0 3i saw i d e b a n d g a ps e m i c o n d u c t o r m u c hc o n s i d e r a b l ee f f o r th a sb e e nd i r e c t e dt o w a r d s - g a 2 0 3 a tr o o mt c m p o r a t u r e t h eo p t i c a lb a n dg a po fi ；- g a 2 0 3i sb e “v e e n4 2a n d 4 9 e v , a n di th a sg o o dc h e m i c a la n dt h e r m a ls t a b i l i t y t h e r e f o r e0 - g a 2 0 3c a nb ew i d e l y a p p l i e d t o h i g ht e m p o r a t a r eo x y g e ns e n s o r s ，m a g n e t i cm e m o r ya n dd i e l e c t r i c l a y e r , a n t i r e f l e c t i r ec o a t i n g s f o r g a a s , t h ep a s s i v a t i o no fg a a ss u r f a c e s ，d e e p u l t r a v i o l e tw a s m i s s i o no x i d e s , a n da l s o m a ye m e r g ea sa n a l t e r n a t ec h o i c et o s u l f i d e - b a s e dp h o s p h o r s t h e r ea l em a n ym e t h o d st op r e p a r ei b - g a 2 0 3f i l m s ，i n c l u d i n g s p r a yp y r o l y s i s ，s p u t t e r i n g ，m o c v d ，p u l s e d - l a s e rd e p o s i t i o nm c t l 埘i ( p l d ) a n d e l e c t r o n i cb e a me v a p o r a t i o n i nt h ep a p e r , i ! b g a 2 0 3p o w e ro f9 9 9 9 9 p u r i t tw a su s e da st h es o u l - t a gm a t e r i a l f o rc e r a m i c s t a r g e t w e u s e dr a d i o f r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g 越l o w t e m p e r a t u r e ( 4 0 ) t od e p o s i t e1 3 a 2 0 3f i l m s o n s i o 11 ) a n dq u a r t z u n d e r l a y s d i r e c t l y x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm a c r o s c o p e ( s e m ) ，a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p o ( a f m ) ，f o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e d s p e e t r a f f t m ) ，x r a yp h o t o e l e t r o n s p e c t r u m ( x p s ) a n du l t r a v i o l e t - v i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t e r s 眦u s e dt os t u d yt h e s t r u c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u r f a c e t o p o g r a p h ya n do p t i c a lp r o p e r t i e s i nd i f f e r e n t a n n e a l i n gt e m p e r a t a r ea n da n n e a l i n gt i m e s i n c et h eg a 2 0 3t h i nf i l m sd e p o s i t e dd i r e c t l yo ns i ( 1 1 1 ) a n dq u a r t zu n d e r l a y s b yr a d i of r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n ga tl o wt e m p e r a t u r e 0 0 ) w e r ea m o p h o u s ，t h e a m o r p h o u sp g a 2 0 3f i l m sw e r en e e d e dt ob ea n n e a l e d t h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e s w e r es 0 0 0 c ，9 5 0 ，1 0 0 0 。c ，1 0 5 0 。ca n d1 1 0 0 0 c ，t h ea n n e a l i n gt i m ew a g2 0m i n f r o m ， 9 5 0 0 c 砒2 0 = 3 0 0 8 0 。，3 1 7 0 0 。，6 4 5 6 0 。, f e a t u r ep e a k sa p p e a r e d t h e s ef e a t u r ep e a k s a r e ( 0 0 4 ) ，( 2 0 0 ) ，( 1 2 - 2 ) d i r e c t i o n t h i s i n d i c a t e d t h a t t h e f i l m s w e r e m u l t i - c r y s t a l f i l m s s i n c et h ed i f f r a c t i o np e a k so fg a 2 0 3f i l m sa n n e a l e da t1 0 5 0 。cw e r et h e m 山东大学硕士学位论文 s t r o n g e s t , t h e r e f o r e , w eb e l i e v e dt h a tt h i si st h eb e s tt e m p e r a t r u ef o rt h ea n n e a l i n g t e m p e r a t u r e w eu s e dx p st om e a s u r et h ec o m p o s i t i o no ft h es u r f a c eo f p - g a 2 0 3f i l m s a n n e a l e da l1 0 5 0 a n df o u n dt h a tt h er a t i oo f g aa n do x y g e nw a sa b o u tt o2 ：3 f t i r s p e c t r as h o w e dt h a ta st h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h ea b s o r p t i o np e a k so f g a - od i dn o th a v eac l e a rb l u e s h i f l so rr e d s h i f i s t h i si sb e c a u s et h a tt h ei m p u r i t i e s a n dd e f e c t s ( i n c l u d i n gp o i n td e f e c t s , t w i n sa n ds t a c k i n gf a u l t s e t e ) i nt h ef i l m s 、) i 佻 l e s s , e s p e c i a l l yl e s so x y g e nv a c a n c y t h e r ew a ss m a l l e ri m p a c to no a - ok e y s s ot h e r e i sn o tu n u s u a lv i b r a t i o na n dt h e r e f o r et h e r ew a sn o tb l u e s h i f i so rr e d s h i f i s a s w eu s e ds e ma n da f mt os t u d yt h es u r f a c ee x t e r n a l i t i e so f g a 2 0 3f i l m sw e f o u n dt h a t w i t l it h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g t h ec r y s t a lg r a i n s i z e i n c r e a s e d , t h eq u a l i t yo ft h ef i l m sg o tb e t t c r 1 na d d i t i o n , w eh a v ea l s os t u d i e dt h e i m p a c to fa n n e a l i n gt i m eo nc h a r a c t e r i s t i c so fl g g a 2 0 3 t h es t u d yf o u n dt h a tt h e a n n e a l i n gt i m ec o n s t r a i n t sf o rt h ec r y s t a lo f 母- g a 2 0 3f i l m s t h el o n gt h ef i l m sw e r e a n n e a l e d ，t h em o r et h ec r y s t a lg r a i ns i z ei n c r e a s e d i nt h ef i n a lp a p e r , w es t u d i e dt h et r a n s m i t t a n c eo fj - g a 2 0 3f i l m sd e p o s i t e do n q u a r t zu n d e r l a y sa n n e a l e d 越d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h es t u d yf o u n dt h a ti nt h ev i s i b l e r e g i o nf r o m4 0 0 t o8 0 0n ma l lg a 2 0 3f i l m sh a dh i g ht r a n s p a r e n ta n dh a v eas h a r p a b s o r p t i o ne d g ei nt h eu vr e g i o n a st h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，f r o mn o a n n e a l i n gt o7 0 0 ( 2 ，9 0 0 c , t h ea b s o r p t i o nc d g es h i f t e dt os h o r t e rw a v e l e n g t h ，w h i c h i n d i c a t et h a tt h eb a n dg a po fg a 2 0 3f i l m sb t x a m ew i d e ra st h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e i n c r e a s e d b u ta st h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e dt o1 1 0 0 ( 2 ，t h ea b s o r p t i o nc d g c s h i r e dt ol o n g e rw a v e l e n g t h t h i sr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t hx r dm e a s u r e m e n t s t h e a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw a sc a l c u l a t e df r o mt h et r a n s m i t t a n c es p c c q l - aa n dt h eb a n d g a p so fb - g a 2 0 3f i l m sa td i f f e r e n ta n n e a l i n gt e m p e r a t r u e sc a nb ed e t e r m i n e d i v 山东大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：g a l l i u mo x i d et h i nf i l m s ，r a d i of r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g , s t r u c t u r e p r o p e r t i e s ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ，w i d eb a n dg a ps e m i c o n d u c t o r s v 山东大学硕士学位论文 x r d a f m s e m g a 3 p l v i n m b e p l d c v d m o c v d r f n m a e g h k m c m y m f h v e f 符号表 x 射线衍射 波长 原子力显微镜 扫描电镜 氧化镓 光致发光 电压 电流强度 电子浓度 分子束外延 脉冲激光淀积 化学汽相淀积 金属有机物化学汽相淀积 射频 纳米 吸收系数 光学带隙 酱朗克常数 波矢 电子的有效质量 空穴的有效质量 折合质量 光子能量 费米能级 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：筮垫 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盔型 导师签名橱日期：这堡垃魏 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 随着信息技术的发展，以光电子和微电子为基础的通信和网络技术已成为高 新技术的核心。半导体激光器作为信息技术的关键部件，在光纤通信系统、波分 复用网络、全光网络、光信息处理、存储与显示系统、固体激光器的有效泵浦源、 医学以及环境检测方面有着广泛而重要的应用。而半导体发光二极管的应用更是 渗透到我们的生产、生活的各个方面。4 , n 各种家用电器的信号指示灯，大到体 育馆、车站、机场等公共大型场所的动态信息显示屏，都离不开发光二极管此 外，它还广泛用于光信息处理、光通讯甚至用来做室内照明材料。正是基于发光 二极管和半导体激光器如此重要的应用价值，人们才发展了各种各样的材料体 系，以适应不同领域对发光二极管和半导体激光器性能的特殊要求。目前，人们 正致力于寻找更宽禁带的半导体材料以制造波长更短的发光二极管和半导体激 光器。近年来人们已制备出g a n ，z n s e 等蓝光材料，并用这些材料制成高效率 的蓝光发光二极管和激光器。用g a n 制造的蓝光激光器使得光盘的光信息存储 密度大大提高，将极大地推动信息技术的发展。而蓝光发光二极管的制造使得全 色显示成为可能，将其和高亮度的红、绿发光二极管组合，可以发出波长连续可 调的各种色光，构成全色光源，可广泛用作各种场所的动态信息显示平板和交通 信号指示灯 作为一种宽带隙半导体材料，g a 2 0 3 以优良的化学和热稳定性著称“1 g a 2 0 3 有着广泛的用途，如发光磷光体，高温氧气传感器，g a a s 的消反射镀层，g a a s 表面的钝化镀膜，深紫外光透射氧化物等很多方面纠1 制备g a 2 0 3 薄膜有多种 不同的技术，包括：喷射高温分解，溅射，化学汽相淀积，脉冲激光淀积，电子 束蒸发等州。 1 2 氧化镓材料的性质 固体g a 2 0 3 具有多种结构，最常见的是六方晶型的q - g a 2 0 3 和单斜晶型的 i ) - g a 2 0 3 。a 到p 的转变温度为3 8 0 ( 3 一般制备的g a 2 0 3 薄膜因经过高温退火处 理。都为b 型，结构如图r 所示，其一般特性如表1 所示。它的禁带宽度和迁移 山东大学硕士学位论文 率沿b 轴和c 轴不同，具有各向异性的特点“ b 乇a 2 0 3 属c 2 m 空间群，其中g a 3 + 离子分别占据八面体和四面体位置。已 知导带底的波函数主要是由8 面体位置的g a 3 + 的4 s 轨道函数构成的”。 表卜l l g g a 2 0 3 的物理化学性质 t a b l e1 - 1p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f1 3 - g a 2 0 3 分子式g a 2 0 3 分子量 1 8 7 4 4 4 晶体结构单斜晶系 晶格常数 a5 s o a b3 0 4 a c1 2 2 3 a 1 3 1 0 3 7 。 熔化温度 1 7 4 0 能带宽度( e v ) 4 7 9 f ba x i s 4 5 2 ，ca x i s 迁移率( c m 2 、r l s 1 ) 4 6 | l ba x i s 2 6 ca x i s 反射系数 1 8 介电常数 9 9 一l o 2 2 山东大学硕士学位论文 ) ( i 、，) 图1 11 5 - g a 2 0 3 的晶体结构图蝴( - 2 0 i ) 方向的图，o a ( i v ) - 与g a ( ) 分别代表 正四面体的g a 和正八面体的g a f i g 1 1c r y s t a ls t r u c t u r eo f g a 2 0 3l a t t i c ev i e w e da l o n gt h e ( - 2 0 1 ) a x i s t h el a t t i c ei s c o m p o s e do f a l t e r n a t i v el a y e r so f g a 3 + a n d 铲s t a c k e da l o n gt h e ( - 2 0 0a x i s t h e r ea r e t w og a y i o ns i t e s ，i e o n et e t r a h e d r a lo a ( i v ) a n do n eo c t a h e d r a lg a ( v d h i g h m o b i l i t y i se x p e c t e da l o n gt h eba x i s , s i n c et h eg a ( w ) c h a i n sa r ec o n s i d e r e dt ob ep a t h s f o l l o w e db yc a r r i e re l e c t r o n s 单斜镓氧化物q ，_ - g a 2 0 d 是一种宽带隙化合物。经测量知单晶1 b _ 4 3 a 2 0 3 的 光学带隙是4 2 - 4 9 e v 。单晶p - g a 2 0 3 的导电性可从绝缘体到导体范围内变化，这 取决于制备情况。 i a 2 0 3 膜的最大电子迁移率是0 4 4 c m 2 v - s t 。这比单晶样品的电予迁移率 山东大学硕士学位论文 小两个数量级( 4 6 c m 2 、r l s l ) 生长的膜有如此低的电子迁移率，原因归结于膜 的结晶质量。为了增强i g a 2 0 3 膜的电导率，将生长( - 2 0 1 ) 方向的膜。这时， b 轴和衬底平行，8 面体的g 矿在晶格中沿b 轴捧列，这种排列被认为是载流电 子的通道。基于以上考虑，很多研究者都选择( 0 0 0 1 ) 方向的蓝宝石单晶片作衬 底，它的带隙宽度要比肛g a 2 0 3 大 1 3 氧化镓材料的研究进展 1 3 1 氧化镓材料的应用 最近，1 5 - g a 2 0 3 作为一种磷光体主材料引起了广泛兴趣，它可应用于薄膜电 致发光显示( t f e l ) 中。因为它具有优良的化学和热稳定性，它可能会代替以硫化 物为基础的磷光体。用溶胶凝胶过程可以制备争g a 2 0 3 薄膜，这种材料的光致 发光( p l ) 和薄膜电致发光( t f e l ) 行为可以用多色发射磷光体来描述。但掺杂时的 发光性质并未引起人们的注意。最近，用超声喷射高温分解来制备g a 2 0 3 薄膜， 用乙酰丙酮做原材料，用水做氧化剂，但并没有研究发光性质。再者，也没有研 究g a 2 0 3 薄膜的阴极射线致发光( c l ) 性质【1 2 1 在光平板印刷领域中，深紫外透明导电氧化物物薄膜有广泛应用。传统的透 明导电氧化物如锡掺杂氧化铟( i t o ) 和z n o 在深紫外区( 2 3e v 的电子材料，主要包括s i c 、z n s e 、 z n o 和g a n 等。 山东大学硕士学位论文 同第一、二代电子材料相比，宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、电子漂移 饱和速度高、介电常数小和导热性能好等特点，非常适应于制作抗辐射、高频、 大功率和高集成密度的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝，绿 光及紫外光的发光器件和光探测器件。 氧化镓作为具有广泛应用前景的半导体材料的典型代表，其研究开始受到瞩 目。g a 2 0 3 是宽带隙材料，以优良的化学和热稳定性著称。g a 2 0 3 有着广泛的用 途：发光磷光体，高温氧气传感器，g a a s 的消反射镀层，( ；a i s 表面的钝化镀膜， 深紫外光透射氧化物等。 国内外对g a 2 0 3 薄膜的研究刚刚起步，采用的制备方法及衬底差别很大制 备g a 2 0 3 薄膜有多种不同的技术，包括：喷射高温分解，溅射，化学汽相淀积， 脉冲激光淀积，电子束蒸发等。其中蒸发法及激光淀积生长出来的薄膜质量不好， m o c v d 仪器比较昂贵。我们采用低温生长技术，用射频磁控溅射法在5 0 c 衬 底温度下制备g a 2 0 3 薄膜，系统地研究样品的结构和光学特性，研究退火温度， 时间等对薄膜性质的影响。我们采用硅、石英作为衬底。 由于首次采用低温生长技术制备g a 2 0 3 薄膜，很多工作还有待完善，在未来 的工作中我们将力求解决以下问题： ( 1 ) 根据不同需要，通过调整工艺参数，确定出最佳工艺方法和生长条件； ( 2 ) 研究g a 2 0 3 薄膜的形成和生长机制； ( 3 ) 研究g a 2 0 3 薄膜的结构特性； ( 4 ) 研究g a 2 0 3 薄膜的光学特性： ( 5 ) 研究退火条件对g a 2 0 3 薄膜各种性质的影响 l o 山东大学硕士学位论文 参考文献 【1 m p a s s l a c l e e s c h u b c r t , w s h o b s o n , m h o n g ，n m o r i y a ，s n g c h u ，k k o n s t a d i n i d i s , e m a n n a e r t s ，m l s c h n o e s ，g j z y d z i k , j a p p l p h y s 7 7 ( 1 9 9 5 ) 6 8 6 2 h y o u nw o ok i m , n a mh ok i m ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n gb i1 0 ( 2 0 0 4 ) 3 4 【3 1 r r a o , a m r a o ，b x u ，j d o n g , s s h a r m a , m k s u n k a r a , j a p p l p h y s 9 8 ( 2 0 0 5 ) 0 9 4 31 2 - l 【4 】m o g i t a , n s a i k a , y n a k a n i s h i ，y h a t a n a k a , a p p l i e ds u r f a c es c i e n c e1 4 2 ( 1 9 9 9 ) 1 8 8 【5 1 m r e b i c n ，w h e n r i o n ，m h o n g , j p m a n n a c r t s ，m f l e i s e h e r , a p p l p h y s l c t t 8 1 ( 2 0 0 2 ) 2 5 0 【6 j i a n h u ah a o ，m i c h a e lc o c i v e r a , j p h y s d ：a p p l p h y s 3 5 ( 2 0 0 2 ) 4 3 3 【7 】m a s a h i m o r i t a , h i d e n o r ih i r a m a t s u ，h i r o m i c h io h t a , m a s a h i mh i r a n o , h i d e o h o s o n o , t h i ns o l i df i l m s4 1 ( 2 0 0 2 ) 1 3 4 【8 1 z y u ，c d o v e r g a a r d ，r d r o o p a d ，m p a s s l a c k , j k a b r o k w a h , a p p l p h y s l c t t ，8 2 ( 2 0 0 3 ) 2 9 7 8 【9 1 m f a l k u h a i l i ，s m a d u r r a n i ，e e k h a w a j a , a p p l p h y s i e t t 8 3 ( 2 0 0 3 ) 4 5 3 3 【i o m a s a h i r o o r i t a , h i m m i c h io h t a , m a s a h i r o h i r a n o ，h i d e o 【1 1 h o s o n o , a p p l p h y s l e t t 7 7 ( 2 0 0 0 ) 4 1 6 6 1 2 x ux i a n g ，c h u a n - b a oc a o ，y a - j u ng u o ，h e , s u nz h u ，c h e m i c a lp h y s i c s 1 , e t l c r s 3 7 8 ( 2 0 0 3 ) 6 6 0 【1 3 c b a b a n ，y , t o y o d a , m o g i t a , t h i ns o l i df i l m s4 8 4 ( 2 0 0 5 ) 3 6 9 【1 4 j u nz h a n g , f e i h o n gj i a n g , c h e m i c a lp h y s i c s2 8 9 ( 2 0 0 3 ) 2 4 3 【1 5 w a n gz h e n ，h u a n gh u i f e n , z h a n gh a o - k a n g , c h i n e s ej o u r n a lo f e l e c t r o nd e v i c e s 2 7 ( 2 0 0 4 ) 4 0 ， 【1 6 】t s u n c n o r ia s a t s u m a , h i r o s h in a k a j i m a , s h i g e k ih a s h i m o t o , t a k a s h iy a m a g u c h i ， 山东大学硕士学位论文 h i r o s h iy o s h i d a , s h i g e t a k at o m i y a , t a k e h a r ua s a n o ，t o m o n o r ih i n o ，m a s a f u m i o z a w a , t a k a nm i 【y 面i m aj c r y s t g r o w t h2 2 1 ( 2 0 0 0 ) 6 4 0 【1 7 d h z h a n ga n dd e b r o d i e ，t h i ns o l i df i l m s ，2 1 3 ( 1 9 9 2 ) 1 0 9 0 1 2 2 【1 8 d h z h a n g ，h l m a , a p p l p h y s a 6 2 ( 1 9 9 6 ) 4 8 7 - 4 9 2 【1 9 】d h z h a n ga n dh l m a ，t h i ns o l i df i l m s ，2 9 5 ( 1 9 9 7 ) 8 3 【2 0 】t l y a n g , d h z h a n g , t h i ns o l i df i l m s ，3 2 6 ( 1 9 9 8 ) 6 0 【2 1 y u a nc h e n ，d e h e n gz h a n g ，m a t e r i a ls c i e n c e & t e c h n o l o g y , 1 6 ( 1 ) ( 2 0 0 0 ) 2 3 山东大学硕士学位论文 第二章样品的制备及测试 2 1 氧化镓薄膜的制各 ， 2 1 1 射频磁控溅射系统 本实验中薄膜制备所用的设备是一j p g f - 4 5 0 型射频磁控溅射系统。其真空 室结构原理图如图2 1 所示，真空室下部有三个磁控阴极靶，分别置于一等腰直 角三角形的三个顶点位置，靶托直径为8 c m ，用不锈钢材料制成，可安装厚度 在6 m m 以下的靶材。它下面埋有高磁场强度的永磁体，工作时各靶均可用循环 水冷却。以确保靶不至于因为溅射时离子的轰击而使其温度过高。真空室上部置 有直径为3 6 0m l t l 的可旋转的圆形衬底盘，工作时它可以以l o 3 0r m i n 的角速 度在真空室内旋转。阴极靶与衬底盘之间的距离在3 5 - - 7 0m m 范围内连续可调。 真空室内有两套加热部件可对衬底进行加热。在放衬底的圆盘上面有一个环形 的加热炉，置有镍铬电炉丝，最高功率为3k w 。处于真空室下部的加热部件是 碘钨灯，最高功率7 5 0w ，靠辐射加热。衬底基片的温度可通过热电偶探测溅 射系统有两路可调节的质量流量计用于通入氮气和氩气。一路自动压强控制仪， 一路手动调节压强设定氮气通过一高灵敏度压电陶瓷阀引入真空室，溅射所 用的高纯度氩气通过质量流量计设定流量后引入真空室，再通过调节压强设定 旋钮可以准确地设定工作压强，在l 1 0p a 工作压强范围内控制精度可达o o l p a 。真空系统由2 x z 8 直联高速旋片机械泵和h t f b 6 0 0 涡轮分子泵和各种阀门 组成。溅射系统所用的所有阀门均为气动阀门，每个阀门内部有一个小汽缸， 使用一定压强的气体推动汽缸内的活塞运动，由此带动阀门打开或关闭而推 动各个阀门运动的高压气体是由一个空气压缩机提供的。使用阀门时，按下电 控柜相应按钮，与此阀门相对应的气路被打开，由空气压缩机提供的气体进入 阀门内部，推动活塞运动，打开或关闭阀门。 射频电源的工作频率为1 3 5 6m h z ，溅射输出功率在2 0 - 1 0 0 0w 连续可调。 射频信号通过阻抗匹配网络耦合至靶电极，通过适当调节射频电源的匹配电容 ( 电流电容和耦合电容) ，使射频信号的反射最小，以提高工作效率，然后增加 输入功率直到系统起辉，起辉后再调匹配器的电容使反射功率减小直到接近于 零 ， 山东大学硕士学位论文 真空室 i 冷却水 1 阴极靶2 阴极3 基片( 衬底) 盘 4 衬底5 上加热炉 6 下加热炉7 挡板8 屏蔽罩9 高阀( h v )1 0 分子泵 1 1 前级阀1 2 预抽阀1 3 机械泵 图2 1 溅射系统真空室示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es p u t t e r i n gs y s t e ma n d v a c u u mc h a m b e r 1 4 山末大学硕士学位论文 2 1 2 溅射基本原理1 1 _ q 1 辉光放电 所谓“溅射”是指荷能离子轰击固体表面( 靶) ，而使固体原子或分子射出 的现象。这种现象是1 3 0 多年前由格洛夫( g r o v e ) 发现的【卯。今天它已广泛地应 用于薄膜制备。“溅射”是一个复杂的过程，它建立在“辉光放电”的基础之上 。辉光放电”是指在真空度约为l 一1 0 p a 的稀薄气体中，两个电极之间加上电压 时产生的一种气体放电现象溅射时固体表面在入射离子的高速碰撞下，放射出 的二次电子是溅射中维持辉光放电的基本粒子，并使基板升温，其能量与靶的电 位相等。在辉光放电时，两极间的电压和电流的关系不能用简单的欧姆定律来描 述，因为二者之间不是简单的线性关系图2 2 表示直流辉光放电的形成过程， 即两电极之间的电压随电流的变化曲线。在气体放电过程中，存在几种不同的放 电区，即：无光放电区、汤姆森放电区、正常辉光放电区、异常辉光放电区和弧 光放电区 冒 电疯密度孙 咖。) 图2 2 直流辉光放电的伏安特性曲线 f i g 2 2i - vc h a r a c t e r i s t i c so f d cg l o wd i s c h a r g e 山东大学硬士学位论文 1 ) 无光放电区( a b ) 由于在放电容器中充有少量气体，因而总是有一部分气体分子以游离状态存 在着。当两极间加上电压时，这些少量的游离离子和电子在电场的作用下运动， 形成电流。由于这些游离的离子和电子数量是恒定的，而且很有限，所以开始时 电流的密度很小一般情况下仅有1 0 1 6 - 1 0 4 4 从m 2 ，此时导电而不发光，故称 无光放电区。 2 ) 汤姆森放电区( b c ) 随着两极间电压的进一步升高，带电离子和电子获得了足够的能量，运动速 度加快，与中性气体分子碰撞产生电离，新产生的离子和电子被加速后又使更多 的气体分子电离，使电流平稳提高。但是电压却受到电源的高输出阻抗限制而呈 一常数，这一区域称为“汤姆森放电区” 3 ) 正常辉光放电区( c e ) 当电压进一步增加时，汤姆森放电的电流也随之增加。当电流增加到c 点 时，由于产生了足够的离子和电子使放电达到自持，气体开始起辉，电压突然下 降，电流增大，同时出现带颜色的辉光，此时称为气体击穿，图2 3 中的v b 称 为击穿电压，它取决于气体压强( p ) 和电极间的距离( d ) 。气压太低、太高或 距离太小、太大都会使辉光放电熄灭，这是因为若气压太低或距离太小，就没有 足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子导致辉光放电熄灭若气压太高或距 离太大，二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电继续增加 电源功率，电压维持不变，电流平稳增加，此即正常辉光放电区。 4 ) 异常辉光放电区( e f ) 当粒子轰击覆盖整