硅摻雜鋁鎵氮薄膜場發(fā)射性能研究*

王京 王如志? 趙維 陳建 王波 嚴輝

1)(北京工業(yè)大學材料科學與工程學院薄膜實驗室，北京 100124)

2)(中山大學測試中心，廣州 510275)

(2012年5月1日收到;2012年7月30日收到修改稿)

1 引言

近年來，對于場發(fā)射性能的研究人們主要關注納米線、量子點等方面[1,2].然而，由于納米陣列結構工藝復雜，寬帶隙半導體薄膜作為半導體陰極也引起了人們的極大關注[3].III族氮化物半導體，AlGaN作為寬帶隙材料有著豐富的電學性能[4]，能在表面實現負的電子親和勢，是合適的場發(fā)射陰極材料[5].為改善單層薄膜場發(fā)射性能，目前研究工作主要集中在開發(fā)新材料及材料改性兩個方面[6,7].我們小組在AlGaN薄膜成分調制和取向調制等方面已有一些進展[8,9]，材料改性也需要相應跟進.

摻雜是一種最重要的改變寬帶隙半導體性能的方法，可以改變半導體的遷移率、載流子濃度及電阻率等一系列電學特性，從而從改變半導體的性能.研究表明，寬帶系半導體隨著n摻雜可提高電子濃度，使得電子發(fā)射數量增加[10].對于場發(fā)射而言，更多的電子供給可以降低閾值電壓，提升發(fā)射電流密度，從而增強場發(fā)射性能.所以，探討n型摻雜AlGaN調控其場發(fā)射性能的研究具有重要的實際應用意義.

本文利用脈沖激光沉積法，制備了一系列不同Si摻雜濃度的AlGaN薄膜(n型摻雜)，并探討了其場發(fā)射性能.在保持其他工藝參數不變的條件下，探索AlGaN薄膜的場發(fā)射性能隨Si摻雜濃度變化的影響.研究結果可為AlGaN場發(fā)射薄膜性能改善提供有益的參考.

2 薄膜樣品的制備

利用脈沖激光沉積系統(tǒng)在硅片(001)上制備Si摻雜的Al0.25Ga0.75N薄膜.真空室背底真空抽至5×10-4Pa，充入純度99.99%的氮氣，濺射氣壓 1Pa，激光能量 3 J/cm2，頻率 13 Hz，襯底溫度850°C，薄膜沉積時間15 min.靶材為純度99.99%的GaN和AlN納米粉體按照3：1混合，按照III族原子與Si原子的原子比例分別制成0.5%，1%，2%摻雜的Al0.25Ga0.75N靶材，為了更準確地測量樣品的電阻率等其他電學性能，采用同樣工藝參數，在石英上制備一組樣品.制備的薄膜樣品厚度為400 nm.

對制備好的樣品采用D-8 Advance型X射線衍射儀測量樣品的晶體結構，X射線使用Cu靶的Kα1線.使用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對薄膜進行表面形貌分析.用霍爾HL5500PC測試儀測試生長在石英片上的薄膜的電學性能，電阻率、遷移率及載流子濃度.場發(fā)射測試在超高真空5×10-7Pa環(huán)境下進行，陽極為低阻Si(111)，陰極為不同摻雜的Al0.25Ga0.75N薄膜，陽極與陰極通過兩根直徑為Φ4μm的玻璃纖維隔離，樣品面積約為0.5 cm2.

3 結果與討論

圖 1為 Si(001)襯底上生長的摻雜 1%的Al0.25Ga0.75N薄膜樣品的X射線衍射圖譜.從圖中沒有看到明顯的尖銳衍射峰，有一個以2θ=34°為中心的Al0.25Ga0.75N的衍射包，六方纖鋅礦結構 GaN和 AlN的 (0002)峰位于 2θ=34°附近，Al0.25Ga0.75N樣品沒有發(fā)現明顯的GaN或AlN的衍射峰.說明用上述工藝參數脈沖激光沉積法制備的AlGaN薄膜樣品是非晶結構[11].由于Si的摻入導致在AlGaN薄膜生長的過程中薄膜的晶格失配，導致結晶性變差.

圖1 Si襯底上摻雜1%的Al0.25Ga0.75N薄膜的X射線衍射圖譜

圖2為不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射性能J-E曲線.用場發(fā)射電流密度和開啟場強對其分析.圖2可以看出，經過Si摻雜后，Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射性能大幅提高，在定義場發(fā)射電流密度為1μA/cm2時，陽極和樣品之間的電場值為開啟電場.從圖可知，3種不同摻雜濃度樣品開啟電場相比未摻雜樣品都下降，其中摻雜濃度為1%時性能最好.

表1為不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜樣品的場發(fā)射性能.從表1中可以看出，Si摻雜后Al0.25Ga0.75N薄膜場發(fā)射性能大幅提升，開啟電場逐漸變小，發(fā)射電流密度變大.開啟電場從 26.8V/μm 下降到 9.1 V/μm，發(fā)射電流從11.9μA/cm2增加到發(fā)射電流密度最大為432μA/cm2.隨著摻雜濃度提升，薄膜的場發(fā)射性能提升明顯，其中2%摻雜Al0.25Ga0.75N薄膜性能與1%摻雜樣品比較，其場發(fā)射性能趨向變差.

圖2 不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射J-E曲線

表1 不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射性能

圖3為不同摻雜濃度Al0.25Ga0.75N薄膜的場發(fā)射Fowler-Nordheim(F-N)關系曲線.樣品的F-N曲線都是非線性的，而在高電場部分可以近似看為直線，表明電子發(fā)射是通過遂穿表面勢壘完成的.由圖可看出不同曲線在高場強部分斜率略有不同.理論上，電流密度與場強應遵循F-N方程[12]：

其中A和B為常數，J為場發(fā)射的電流密度，E為場強，φ為樣品場發(fā)射功函數，β為場增強因子.場發(fā)射性能增強來源于功函數φ與場增強因子β的比值.薄膜未進行表面處理，表面形貌發(fā)生改變，可以近似認為薄膜的場增強因子與形貌有關[9]

其中β0為100[3]，R取決于薄膜的表面形貌.從圖4中獲取的薄膜表面形貌可知，摻雜使得薄膜形貌發(fā)生一定的改變，使得場增強因子增加.我們得到近似的場增強因子β之比為β：βdoped=1：1.56.根據F-N方程，不考慮功函數變化，在26.8 V/μm時，場增強因子增加使得電流密度之比為1：2.46.而實際未摻雜和摻雜1%樣品電流密度之比為1：425.這里可以看出僅考慮表面場增強的電流增加遠遠小于實際場發(fā)射電流的增加，這說明表面形貌變化并不是影響場發(fā)射性能的主要因素.

圖3 Al0.25Ga0.75N薄膜場發(fā)射F-N關系曲線

因此，場發(fā)射性能增強可能源于功函數的變化.薄膜的功函數與費米能級位置相關，受到薄膜摻雜濃度的影響[13].但是，半導體電子發(fā)射是依據導帶到真空能級發(fā)射的，所以改變功函數的作用不大.還需要分析隨著摻雜濃度變化，場發(fā)射性能發(fā)生改變的成因.

按照Cutler等[14]場電子發(fā)射模型，場發(fā)射基本過程分為3步：電子從基底在界面處越過肖特基勢壘注入薄膜；電子在薄膜中輸運；電子在薄膜與真空的界面處隧穿發(fā)射.因此，基于Si摻雜AlGaN薄膜場發(fā)射基本過程如下.

首先，因為基底采用低電阻高摻雜n型Si(001)，AlGaN重n型摻雜可能有利于抬高費米能級，使得電子容易從襯底越過肖特基勢壘進入薄膜.然后，電子在薄膜中輸運主要使薄膜的電學性能有可能受摻雜影響，薄膜中的晶格、雜質、缺陷等的散射也會使得電子輸運受到影響.重Si摻雜雖然可以提升薄膜的電導率，利于電子在薄膜內輸運，但過大的摻雜濃度會降低電導.最后，電子在薄膜與真空的界面處隧穿發(fā)射，摻雜使更多的電子進入導帶，提供充足的發(fā)射電子源，獲得最大的發(fā)射電流密度.

從以上場發(fā)射的基本過程可知，摻雜后隨著電子濃度的增加供給增多，適當的摻雜濃度可以提升電導率，得到良好的電子輸運，從而大幅增加AlGaN薄膜的場發(fā)射性能.

為了解不同Si摻雜Al0.25Ga0.75N薄膜樣品的電子遷移率及摻雜濃度等特性，對以同樣工藝生長在石英片上的四個不同樣品進行了霍爾測試和I-V曲線測量.表2是不同摻雜濃度Al0.25Ga0.75N的霍爾測試.結果表明，摻雜使Al0.25Ga0.75N薄膜的載流子濃度大大提高，從1010/cm3提高到1012/cm3.

圖4 不同Al0.25Ga0.75N薄膜的原子力顯微鏡圖 (a)未摻雜;(b)Si摻雜1%

表2 不同摻雜濃度Al0.25Ga0.75N薄膜的Hall測試

對比不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的載流子濃度與最大電流密度，結果表明隨著摻雜濃度增加，場發(fā)射電流密度增加.最大電流密度和載流子濃度基本滿足正比例關系，對于n型半導體，可以近似如下[15]：

式中，Jlim是最大電流密度，Fs為場強，ε為介電常數，n為載流子濃度，μn為電子遷移率.可見載流子濃度及電子遷移率可以直接影響場發(fā)射的最大電流.

從霍爾測試的載流子濃度，表明樣品中Si的含量1020/cm3遠大于樣品載流子濃度1012/cm3，一方面可能是因為薄膜樣品呈現非晶態(tài)，而且摻雜濃度很高，Si在AlGaN中溶解度不高，雜質只是分布于局部區(qū)域，并引入局部缺陷，并沒有能形成均勻而有效的摻雜[16].另外一方面可能因為Si在Al0.25Ga0.75N中摻雜是一個復雜的行為，Si摻雜為n型摻雜，Al0.25Ga0.75N薄膜和未摻雜薄膜都是電子導電，可能一部分Si原子沒有進入III族原子位置，而是進入氮原子位置形成p型摻雜，存在自補償效應[17].

此外，不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜樣品中，隨著摻雜原子的增加，載流子濃度逐漸增加.另外由于摻雜濃度，薄膜質量下降，電離雜質散射效應增加，使得電子遷移率降低.由于這兩種因素共同作用，使得當摻雜濃度為1%時，電阻率最低，電阻率的改變影響薄膜內部電子的輸運，從而影響其場發(fā)射特性.

圖5 不同摻雜濃度Al0.25Ga0.75N薄膜的I-V曲線

圖5是不同Si摻雜Al0.25Ga0.75N薄膜樣品的I-V性能測試曲線.可以看出，I-V表現的薄膜表面電阻與霍爾測試的體電阻數值略有不同，但趨勢相同.摻雜后Al0.25Ga0.75N薄膜表面電阻均小于未摻雜的樣品.從圖中可以看出，曲線并非歐姆接觸.在四個樣品中，從曲線的最大斜率可以看出薄膜的表面電阻最高的是未摻雜的樣品.當摻雜濃度為1%時，I-V曲線的斜率最大，說明當摻雜濃度為1%時，表面電導率最好.影響材料場發(fā)射性能的因素分別是電子的供給和輸運.因此，場發(fā)射電流為電子供給及電子輸出幾率之積[18]：

式中J0=4πqmkTh-3為電子的供給，JT為隧穿幾率.以上說明，摻雜可以提高場發(fā)射電子供給，從而提高場發(fā)射性能.然而，摻雜導致更多缺陷的產生，阻礙了電子在薄膜內的輸運和隧穿，從而導致場發(fā)射性能降低.因此，合適的摻雜濃度將具有最佳場發(fā)射性能.1%Si摻雜具有最佳場發(fā)射性能，而2%Si摻雜Al0.25Ga0.75N，其場發(fā)射性能開始變差.

圖6 不同摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜的SEM圖 (a)未摻雜;(b)摻雜1%

從圖6中可明顯看出，由于薄膜呈現非晶態(tài)，重摻雜雖然會使薄膜載流子濃度提升，但會使得薄膜質量下降，表面缺陷和顆粒增多，粗糙度增加，薄膜內部更容易產生空位及微空洞等缺陷[19].隨摻雜濃度的增加，薄膜晶粒細化，晶界增多.同時，由于Si的摻入會導致薄膜缺陷密度增大，電子在薄膜中輸運受晶界和缺陷散射增大，使電子遷移率下降.這些可從表2中清楚地看到.同樣，電子在薄膜中輸運因受到缺陷的散射而使供給遂穿發(fā)射的電子能量降低，數量減少，從而可能導致場發(fā)射性能下降[20].因此相對于高摻雜2%濃度的薄膜，摻雜濃度1%的薄膜的缺陷相對較少，更利于場發(fā)射.

4 結論

利用脈沖激光沉積，制備了一系列不同Si摻雜濃度的Al0.25Ga0.75N薄膜.對此薄膜進行場致電子發(fā)射測試表明，相比未摻雜的薄膜樣品，Si摻雜濃度為1%的Al0.25Ga0.75N薄膜，具有最佳的場發(fā)射性能，其開啟電場相對于未摻雜樣品顯著降低.通過對電阻率、電子遷移率及表面微結構的測試與分析，表面合適的Si摻雜濃度Al0.25Ga0.75N薄膜具有最佳場發(fā)射性能，這是由于摻雜增加了場發(fā)射的電子供給的同時，摻雜缺陷阻礙了薄膜內部的電子輸運.本研究結果為高性能新型AlGaN薄膜真空電子器件設計與制備提供了有意義的參考.

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