共溅射磁控溅射制备的alner薄膜的研究

共溅射磁控溅射制备的alner薄膜的研究

0稀土掺杂-族氮化物薄膜的制备在过去的几十年里，由于其潜在的应用价值和独特的光谱机制，稀土族氮化物越来越受到重视。稀土离子发泡主要是由于内部4f轨道分级的变化，而不是通过外部4f轨道分级的有效屏蔽。因此，四f地壳层的电子转移很少受到局域环境、温度等外部环境的影响，因此光的稳定性通常是由稀土材料制成的。例如，用于红外波束光源的混合光束的光谱峰为1.543m，对应于er3和4i3的4i13、24i15和2级转移。事实上，由于er3和离子4f轨道层的复杂性，er3的光谱范围非常广泛。例如，在550nm附近，er3的光谱峰非常强，这是三基色中的绿色光。因此，在全颜色的显示中，er可以用作绿色光的唤醒剂。Ⅲ族-氮化物半导体,如GaN和AlN,属直接宽带隙半导体,这一物理特性使其即使在含有高缺陷浓度的情况下仍然具有较高的光激活能,这对于制备短波长发光器件具有特别重要的意义.稀土掺杂的Ⅲ族-氮化物半导体将Ⅲ族-氮化物的宽禁带特点和稀土杂质的光学特性进行了有效结合,因此,在未来的发光器件制备中具有诱人的应用前景.有关稀土掺杂Ⅲ族氮化物的报导已经很多,主要集中在稀土掺GaN的研究上,例如,通过对GaN掺杂不同的稀土离子制备电致发光器件(ELD).与GaN相比,AlN具有更宽的禁带宽度(Eg=6.2eV),具有更优异的热学、化学、声学和光学特性,因此,AlN可能是比GaN更为优越的基体材料.近年来,国外有关稀土掺AlN的报导相继出现,但国内还鲜见报导.MOCVD和MBE技术常被用于稀土掺杂Ⅲ-族氮化物薄膜的制备,其工艺复杂且成本高;磁控溅射技术是一种低成本,大面积和易操作的薄膜生长方法,并且这一技术已经被用于AlN薄膜的生产.在本文的工作中,使用简单的共溅射磁控溅射方法,在Si基片上制备了Er3+掺杂的AlN薄膜,研究了共溅射靶材Er/Al的面积比对样品组分的影响,并对获得的AlN:Er薄膜进行了发光光谱分析.采用JGP800型超高真空多功能磁控溅射镀膜设备制备了非晶AlN掺Er薄膜.溅射靶为直径3英寸的高纯Al靶(99.999%)和面积为1cm×1cmEr(99.9%)靶,99.999%的高纯Ar和N2分别作溅射气体和反应气体.溅射前先在高纯度Ar气氛中对靶材预溅射20min以清除靶表面氧化层.最终优化的溅射参数是:靶基距为9cm,本底真空为5.0×10-4Pa,气体分压N2/Ar=1/3,工作气压0.6Pa,使用直流电源,溅射功率80W-100W,在常温下溅射1h,为保证薄膜的均匀性,基片在自转的同时进行摆动.在本实验中,采用共溅射方法获得所需杂质含量的样品.具体做法为:将Er靶置于Al靶上,通过调整所放置的Er靶的数量和位置来控制Er在AlN中的含量.如图1为3种不同Er靶数量和位置示意图,外圈圆为Al靶,内圈圆为辉光放电时Ar+轰击Al靶造成的凹坑位置,方块为Er靶.对制备的样品在850℃下退火45min.采用philipsX-pertMPDX射线衍射仪(Cu靶,λKα=0.154nm)分析薄膜的相结构;ThermoVG公司Multilab2000型X射线光电子能谱仪对薄膜的元素种类、含量及电子价态进行分析(AlKα为激发源,1486.6eV,350W),Ar+离子枪进行深度剥蚀,剥蚀速度约8nm/min,得到的谱图以C-H污染峰C1s的284.8eV为基准进行校准.Accent公司RPM2000型光致发光谱仪测量PL光谱,激发波长为266nm,激光功率为1.47mW,测量范围为380nm～680nm.2薄膜中er的作用X射线衍射测试结果表明所制备的样品主要以非晶态形式存在,没有明显的衍射峰.为确定样品的成分,对制备的AlN:Er样品进行了未表面剥蚀、剥蚀1min、6min和11min后的XPS测试分析.结果表明,按图1中(a)、(b)方式进行共溅射,所得到的样品Er的含量<0.1%,基本达不到掺杂目的.下面主要对按图1(c)方式共溅射样品(后面的PL光谱分析也是基于该样品)的XPS结果进行详细分析.未进行表面剥蚀的样品组分(atm%)为:[O]=29.7%,[C]=23.6%,[Er]=0.4%,[Al]=29.2%,[N]=16.8%,[Na]=0.2%,剥蚀1min后,C和Na完全消失,可见其为表面吸附物,O含量迅速降低,随着剥蚀时间的加长(超过5min后),样品的组分不再有明显改变.剥蚀不同时间样品的组分如表1所示.图2为样品在进行表面剥蚀到11min后测得的XPS全谱图,组分分析表明,制备的AlN:Er样品能较好地满足化学计量比,原子百分比为:[Al]=45.2%,[N]=44.6%,[Er]=1.0%,[O]图3为Er4d和01s的精细分谱图.从图中可以看出,Er以两种价键方式存在于薄膜中,薄膜中Er4d元素光电子能谱峰分别是168.6eV和171.8eV,它们分别对应于Er3+状态和金属态Er.XPS全谱组分分析得到Er的总含量为1atm%,通过分峰面积比计算,薄膜中化合物Er3+含量约占0.7atm%,其余的则为金属态Er.研究发现,由于采用的是共溅射磁控溅射方式制膜,金属态Er的存在难以完全避免,AlN薄膜中Er含量的增加可能导致严重的金属沉积,从而影响发光效率和光谱的单色性.所以,一般通过制膜时控制稀土掺杂总含量以及后期高温退火使金属态Er转化成离子态Er的方法来解决这个问题.AIN:Er样品中O的存在很难避免,不仅以自然吸附的方式存在于薄膜表面(534.5eV),而且形成反应物(Al2O3和Er2O3)存在于薄膜内部(532.2eV).理论计算表明,O在AlN中具有较低的形成能,这表明O很容易进入AlN并以较高的含量存在于AlN中.2.2er3+间接激发辐射的影响图4给出了AlN:Er样品在室温下的PL光谱.由图可以看出,从398nm至682nm的波长范围内存在两个很宽的光谱峰,另有多个尖峰叠加在这两个宽峰之上,这与报导的Er掺GaAs的结果类似.为便于分析样品的发光机理,我们对测试的光谱曲线进行了拟合分解.由拟合曲线可以更清楚地看出得到的PL谱是由叠加在2个宽谱之上的3个尖峰组成.一般将这种宽谱之上叠加尖峰的特征归因于AlN基体中存在不同类型的Er3+激发机制:宽带谱源于Er3+的间接激发辐射,与中间媒介有关,而尖峰则源于4f内的电子被直接激发跃迁.分析结果表明,图4中叠加在宽峰之上的尖峰源于Er3+的4f壳层内部的直接激发跃迁,其中,位于539和563nm附近的两个尖峰就是熟知的Er3+绿光发射,源于2H11/2和4S3/2到基态的跃迁,462nm附近的尖峰产生自4F15/2→4I15/2(.文献也曾报导过该峰).赵彦立等通过研究稀土掺AlN的激发机理后认为,AlN:Tb3+的激发过程主要是光子引起AlN禁带边附近能级的激发,然后将能量传递给Tb3+离子,引起Tb3+离子的特征辐射.因此,中心位于478nm附近的宽峰可能与Er3+的间接激发有关,进一步分析认为,该峰源于Er离子4F7/2→4I15/2能级的间接激发跃迁541-546.理论计算的结果表明,AlN中的ON具有较低的形成能,因此在AlN中很可能会形成ON-ON缺陷对,该缺陷对的施主能级距离导带底(CB)的能级深度为2.05eV;这正好对应图4中的中心,位于大约590nm的宽谱峰,再结合我们前面XPS的测试结果-样品中含有少量的O,因此,我们有理由相信宽谱带很可能源于AlN中的O杂质所引入的深施主能级.这正如历史上著名的例子-缺陷导致了GaN的黄光发射(中心位于2.2eV,峰宽约1eV).在AlN:Er发光器件中,主要利用Er离子的绿色发光,为提高光谱纯度,避免ON-O缺陷对的产生至关重要,相关工作仍在进行中.3er含量的控制用共溅射磁控反应