反應(yīng)磁控濺射制備AIN薄膜及其發(fā)光性能研究.pdf

1、氮化鋁(AlN)薄膜優(yōu)異的物理化學(xué)性能使得它在電子、光電子、聲表面波等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。本論文的目標是應(yīng)用反應(yīng)磁控濺射法制備AlN薄膜，從實驗和理論上分析濺射AlN薄膜過程的特點，以及制備條件對其性能的影響，并且還研究了摻雜銅(Cu)或錳(Mn)AlN薄膜的光致發(fā)光性能。
　　 AlN薄膜的性能在很大程度上是由制備條件控制的，例如放電電流、氮氣分壓、靶基距、總氣壓等實驗參數(shù)會對薄膜性能產(chǎn)生很大的影

2、響，并且這些參數(shù)經(jīng)常是相互關(guān)聯(lián)的，對于該物理化學(xué)過程的理解目前還是不充分的。另外，大部分制備的多晶AlN薄膜都是在高溫下實現(xiàn)的，這樣在大多數(shù)情況下與現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)是不相稱的。因此，低溫制備非晶AlN薄膜成為一種比較合理的選擇。本文采用反應(yīng)磁控濺射方法在玻璃襯底上制備了AlN薄膜。利用X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、能量射散X射線分析(EDX)等分析方法對AlN薄膜進行了表征。結(jié)果表明制備的薄膜主要成分為Al和N元素，薄膜表

3、面光滑平整，XRD衍射沒有衍射峰出現(xiàn)，為非晶結(jié)構(gòu)。應(yīng)用分光光度計測得了不同實驗條件下的透射光譜。根據(jù)透射光譜計算得到折射率、消光系數(shù)等光學(xué)常數(shù)，并計算出薄膜厚度，系統(tǒng)地研究實驗條件對AlN薄膜光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，氮濃度和靶電流對薄膜光學(xué)性能影響顯著，并且這兩個參數(shù)都存在一最佳值，使薄膜光學(xué)性能最好。工作氣壓對光學(xué)性能的影響次之，隨著工作氣壓升高，薄膜的光學(xué)性能變差。
　　 反應(yīng)氣體流量和薄膜組成、放電電壓、沉積速率等之間的

4、關(guān)系曲線會出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。遲滯是反應(yīng)濺射的一個經(jīng)典問題，它的出現(xiàn)使過程不穩(wěn)定并且降低了沉積速率。為了能夠預(yù)測反應(yīng)濺射AlN過程，優(yōu)化制備條件，本文在經(jīng)典的Berg模型基礎(chǔ)上，考慮過程的放電特性，包含了二次電子發(fā)射系數(shù)的變化，建立了一修正模型，模型包括了原模型所沒有的電壓參數(shù)。該模型的計算結(jié)果與實測值相符。利用該模型系統(tǒng)研究了濺射參數(shù)對過程的影響，并利用該模型探討怎樣消除遲滯現(xiàn)象。
　　 為了對該過程有更深入的理解，本文還建立了反應(yīng)

5、濺射AlN的動態(tài)模型，來研究外部參數(shù)變化時濺射過程隨時間的變化特性。由于AlN的電阻率很高，反應(yīng)濺射時靶材表面生成的AlN層會造成電荷積累而最終導(dǎo)致弧光出現(xiàn)。弧光會嚴重影響薄膜的質(zhì)量，使用中頻脈沖電源能有效的解決弧光問題。利用該動態(tài)模型可以精確的模擬使用中頻電源時制備AlN的動態(tài)特性，找到消除弧光的最佳工藝條件。
　　 硫化物或者包含硫離子的硫酸鹽是當(dāng)前主要的薄膜電致發(fā)光(TFEL)的發(fā)光體。但是，由于它們存在化學(xué)不穩(wěn)定以及對潮

6、濕敏感等內(nèi)在的缺點給器件制作帶來了很大的困難，并且硫基TFEL器件在大氣中工作時會出現(xiàn)在很短時間內(nèi)性能下降的情況，所以近年來一直在探索和研究其他的基質(zhì)材料。AlN薄膜的禁帶寬度為6.2eV，使它在薄膜光發(fā)射器件方面具有很大的應(yīng)用前景。因此，目前已經(jīng)研究了多種摻雜稀土和過渡金屬的AlN薄膜的發(fā)光性質(zhì)。大部分方法是在600℃高溫下來實現(xiàn)多晶AlN薄膜制備或者經(jīng)過約1000℃的退火處理。而發(fā)光薄膜器件的襯底一般為玻璃，玻璃的軟化溫度為600℃

7、，因此低溫制備AlN發(fā)光薄膜是該薄膜能否用于平板顯示的一個關(guān)鍵問題。本文采用反應(yīng)磁控濺射共濺射法制備了摻雜金屬Mn和Cu的AlN薄膜。制備的薄膜經(jīng)XRD檢測表明為非晶結(jié)構(gòu)。制備的薄膜在325nm激光激發(fā)下得到其光致發(fā)光光譜。AlN: Mn薄膜的發(fā)光是以650nm為中心的窄帶發(fā)射(半高全寬FWHM～20nm)。理論分析表明AlN: Mn薄膜的桔紅色發(fā)光現(xiàn)象是Mn中心在AlN中的光譜特征。AlN: Cu薄膜的發(fā)光是以430nm為中心的寬帶發(fā)