磁控溅射SiC薄膜及其光电特性研究

1、磁控溅射SiC薄膜及其光电特性研究3周继承,郑旭强(中南大学物理科学与技术学院,湖南长沙410083关键词:SiC薄膜;射频磁控溅射;表面形貌;光学特性中图分类号:TN304.055;TN304.2;TN305.92文献标识码:A 文章编号:100129731(2007022*1引言SiC作为一种很有应用前景的半导体材料,以高的禁带宽度,高的击穿场强、高的电子热导率,高的电子迁移率,以及抗辐射能力强,结实耐磨损等物理化学特性特别适合于制作高频、大功率、耐高温器件。SiC 还是蓝光发射和抗腐蚀性能方面的理想材料1。然而单晶SiC的生长温度过高,高于12002会使界面处存在大量的空位和缺陷,在较低

2、温度下生长薄膜能有效的避免这些不足,而且拥有在发光二级管、光电晶体管、太阳能电池和高温传感器3等光电器件方面应用的重要特性。因此发展低温制备SiC薄膜技术对于SiC器件的实际应用有重大意义。目前,等离子体化学气相沉积(PECVD、激光辅助沉积(PLD、磁控溅射(MS4等方法已经用于低温制备SiC薄膜,在这些方法中磁控溅射由于其成本低、沉积速率高、沉积温度低、薄膜的黏附性好等特性得到了广泛的关注和研究。用射频磁控溅射法制备了SiC薄膜,并研究探讨了薄膜的光电特性。2实验本实验用直径100mm、厚5mm的纯度为99.99%的烧结SiC为靶,用射频磁控溅射法制备了SiC薄膜,其溅射气体为纯度99.9

3、9%的氩气,衬底为抛光载玻片。在沉积薄膜前,首先用去离子水清洗基片15min,紧接着分别用丙酮和无水乙醇在超声波清洗机各清洗15min,然后再用去离子水冲洗。当真空度达到110-3Pa后,向真空室冲入氩气,调节气体流量达150ml/min,使室内压强保持在1.0Pa;调节射频功率到预定功率,分别为100、150、210、300W;沉积温度和时间分别为室温和25min。薄膜沉积前为了去除靶材表面的氧化物先进行10min的预溅射,然后移开挡板开始沉积。用R TP2600M型快速退火炉对部分样品进行了700/150s的快速热退火。用N T2MD T型原子力显微镜(A FM观察薄膜的表面形貌;用Alp

4、 ha2Step IQ 型台阶仪测量薄膜厚度;透射光谱用TU21800型紫外可见光分光光度计测量,测量范围为3301000nm。3结果和讨论3.1沉积速率与射频功率的关系图1给出了沉积速率与射频功率的关系曲线。由图1可知射频功率对沉积速率的影响很显著,当射频功率从100W增加到300W时,沉积速率从5.26nm/ min增加到11.77nm/min,且与功率基本呈线形关系,这和文献57的报道一致。另外射频功率增大时溅射产额增加,使沉积区内粒子密度增加,溅射材料粒子对氩气的散射增强,离子能量在碰撞过程中损失;过高能量的入射离子打入靶内以及衬底的再度溅射都会影响薄膜的沉积速率,故会出现图1曲线关系

5、 。图1沉积速率的射频功率的关系曲线Fig1The curve of depo sit de ratio wit h RF2power 3.2SiC薄膜的表面形貌图2和3是刚沉积的和700退火后SiC薄膜的091功能材料2007年第2期(38卷3基金项目:国家自然科学基金资助项目(60371046收到初稿日期:2006207228收到修改稿日期:2006210217通讯作者:周继承作者简介:周继承(1963-,男,湖南宁乡人,教授,主要从事微纳电子材料与器件的教学科研工作。A FM 图片。由图2、3可知薄膜呈柱状或颗粒状生长,薄膜结构致密,晶粒较为均匀且细小,均呈椭圆状,这和文献8,9中的报道

6、一致;退火处理后晶粒尺寸变大,表面粗糙度从3.469nm 增大为4.878nm 。图2退火前A FM 图片。Fig 2A FM images of deposited图3700退火后A FM 图片Fig 3A FM images of annealed at 7003.3射频功率对薄膜光学特性的影响图4示出了折射率随射频功率的变化曲线。从图4中可以看出,在不同射频功率下制备的薄膜,其折射率基本保持在1.73左右不变;图5是吸收系数随射频功率的变化曲线,随着射频功率的增大,吸收系数有明显增大的趋势;各个吸收曲线均有一个吸收系数峰与600700nm 透射谱的透射率低峰相对应 。图4折射率2射频功率

7、曲线Fig 4The curve of refractive index wit h RF 2power 薄膜吸收系数与光学带隙E op 的关系满足Tauc 公式10:(hw 12=K (hw -E op 2(1对本实验制备样品透射光谱做Tauc 图,发现均满足Tauc 公式,图6是射频功率为100W 时情况,它与公式(1的拟合结果十分理想。图7是SiC 薄膜的光学带隙2射频功率曲线,从图7中可以看出在不同的射频功率下制备出的SiC 薄膜其光学带隙在1.72.8eV 间变化。且随着射频功率的增大,薄膜的光学带隙是逐渐减小的。据文献11,对于富C 薄膜大量类石墨结构中的三配位C 原子的存在是导致

8、光学带隙减小的主要原因。据国内外文献12,13,溅射SiC 靶制备的薄膜均为富C 薄膜。随着射频功率增加,多余的C 原子的含量增加,发生群聚形成类石墨结构的概率增大,导致薄膜的光学带隙减小 。图5不同功率下吸收系数2光子能量曲线Fig 5The curves of absorption coefficient wit h energyof p hones at different RF 2 power图6射频功率100W 对应的Tauc 图Fig 6The curve of Tauc at RF 2power of 100W图7光学带隙2射频功率曲线Fig 7The curve of band

9、 gap wit h RF 2power 3.4薄膜的紫外可见光透射光谱图8是设定基底的透过率为基准线后不同功率下制备出的SiC 薄膜的透射光谱。由图8可知光波长在550nm 以下时SiC 薄膜有较强的吸收特性。这和文献报道的用磁控溅射制备的SiC 薄膜有较强的蓝紫光吸收特性一致14。射频功率为150、210和300W 时,所有样品在光波长为600700nm 的范围内都有一个透射率低峰,而且随着射频功率的增加,此吸收峰有所增强。这是因为在较大射频功率下制备的SiC 薄膜含有在600650nm 间有较强吸收特性的6H 2SiC 的微晶成分15,而且随着射频功率的增加,溅射粒子的迁移191周继承等

10、:磁控溅射SiC 薄膜及其光电特性研究能力增强,形成6H 2SiC 微晶晶粒的数量增多。 图8不同射频功率薄膜的透射率Fig 8Transmission of films at different RF 2power 3.5退火处理对薄膜光学特性的影响对在射频功率为150W ,沉积气压为1.0Pa 的沉积条件下制备出的SiC 薄膜样品,采用快速退火方式在700/150s 条件下进行了热退火。分析比较了退火前后样品的光学特性。结果表明退火后薄膜的折射率没有发生明显变化;但在弱吸收区的吸收系数明显下降。薄膜光学带隙有所增加(见图9,其主要原因是退火处理使SiC 薄膜中C 的含量有所降低12。 图9

11、退火处理后Tauc 图Fig 9The curves of Tauc before and after annealingprocesses4结论通过对沉积条件的控制,用Ar 气作为工作气体,以烧结SiC 作为靶材,用射频磁控溅射法制备出了理想的SiC 薄膜样品。薄膜结构致密,晶粒较为均匀细小且均呈椭圆状。薄膜均有较强的蓝紫光吸收特性,射频功率稍高(150300W 时薄膜在600700nm 处有一弱的吸收峰,由薄膜中6H 2SiC 微晶引起。射频功率变化时薄膜的折射率均保持在1.73左右,吸收系数随射频功率的增大有明显增大的趋势。光学带隙在1.62.8eV 的范围内,且随射频功率的增加光学带隙

12、减小。退火处理后,薄膜的吸收系数明显减小,光学带隙有所增大,但折射率没有发生明显变化。参考文献:1Sha Z D ,Wu X M ,Zhuge L J.J .Vacuum ,2005,79:2502254.2Kerdiles S ,Rizk R ,Perez 2Rodriguez A ,G arrido B ,et al.J .Solid 2State Electronics ,1998,42(12:231522320.3Stamate M D.J .Applied Surface Science ,2001,172:47250.4Tang Huidong ,Tan Shouhong ,Hua

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