射頻磁控濺射AlN薄膜的場發射性能研究

吳成澤，汪劍波，龔楠，馮禹，連宇翔，孫貫成，于淼

（長春理工大學理學院，長春 130022）

射頻磁控濺射AlN薄膜的場發射性能研究

吳成澤，汪劍波，龔楠，馮禹，連宇翔，孫貫成，于淼

（長春理工大學理學院，長春 130022）

氮化鋁（AlN）是一種寬禁帶深紫外半導體材料，其良好的性能可作為紫外固態光源。采用射頻磁控濺射法，在p型Si（100）襯底上制備了AlN薄膜。通過X射線衍射分析（XRD）、紫外-可見光光譜（UV-Vis）、場發射測試對制備的AlN薄膜進行了測試分析，針對薄膜生長特性對光吸收的影響及其場發射性能進行了研究。結果顯示：在Si襯底上成功的制備了高度（002）取向的AlN薄膜，薄膜在230～250nm間有強紫外吸收，閾值電場為6.39V/μm。場發射測試結果表明，磁控濺射法制備的AlN薄膜具備良好的場發射性。

磁控濺射；AlN薄膜；禁帶寬度；場發射性

近年來，氮化鋁（AlN）作為一種紫外固態光源、紫外探測器等應用的理想材料受到了廣泛關注。高效率的紫外固態光源，如發光二極管（LEDs）和激光二極管（LDs）［1，2］，在業界被認為是效率較低的氣體激光器和汞燈的良好替代者。微電子制造工藝和環境科學的進步發展需要一種擁有更短發光波長的光源。同時，紫外發光光源在高精度光學數據儲存、生物醫學研究、空氣和水資源凈化與消毒方面有著良好的應用前景［3］。AlN是一種性能優良的III-V族化合物，直接帶隙半導體材料，擁有非常寬的禁帶寬度（Eg≈6.2eV），以及優良的物理化學性質，如高擊穿場強（10kV/m）、極低的暗電流、高電阻率、良好的熱穩定性、以及良好的光學及力學性能［4］。研究表明，薄膜的性能依賴于薄膜的相組成、能帶結構、晶體缺陷和結晶度等，高品質的薄膜有利于研究其性能及其器件應用的發展，國外制備高品質AlN薄膜通常使用MOCVD方法［5］，方法較為復雜，成本較高，而磁控濺射法則可以在相對較低的溫度下實現AlN薄膜的制備且成本較低［6］。

磁控濺射是制備薄膜的基本技術之一，其基本原理是低真空條件下的冷等離子體輝光放電。由于沉積的薄膜性能優良，磁控濺射技術目前已在磨損、潤滑、光學和電子半導體等功能性薄膜領域得到廣泛應用［7］。磁控濺射利用磁場對電子的束縛，使其在靶材與基板間做循環往復運動，進而促進工作氣體氬氣電離，更加充分地利用了電子的能量［8］。

本文利用射頻磁控濺射法在硅沉底上制備AlN薄膜，研究制備時間對AlN薄膜結構的影響，分析了樣品結構特性變化時薄膜光學特性的改變及其產生原因，在其基礎上優化制備參數，制備出結晶良好的AlN薄膜，并對其場發射特性進行了研究。結果顯示，磁控濺射方法可獲得結晶性和場發射特性良好的AlN薄膜。

1 實驗

1.1 薄膜制備

采用丙酮、無水乙醇、去離子水分別作為清洗液，對Si（100）襯底進行表面超聲清洗，以去除氧化物、雜質。利用中科院沈陽科學儀器中心生產的FJL-520A型磁控濺射系統，以氬氣（Ar，99.99%）作為工作氣體，氮氣（N2，99.99%）作為反應氣體；以純鋁（99.99%）作為靶材，進行反應濺射。進行濺射鍍膜之前，通入Ar進行10min的預濺射，清洗靶材，隨后向倉體內通入反應氣體N2，直至達到所需要的氣體流量。濺射條件為：靶基距45mm，氣體流量比Ar∶N2=7.5∶15sccm，濺射壓強0.5Pa，濺射功率300W，基片溫度400℃，負偏壓-40V。濺射時間分別為：60min（樣品A）、120min（樣品B）和180min（樣品C）。

1.2 表征方法

采用北京普析通用有限責任公司生產的XD-2型X射線衍射儀對樣品進行相組成分析，測試條件為：CuKα1，管電壓40kV，管流30mA，掃描步長為0.01°；采用美國維易科（VEECO）儀器公司生產的DEKTAK150表面輪廓儀測量薄膜厚度，掃描范圍3000mm，掃描步長0.25μm，掃描時間30s；采用島津紫外分光光度計（UV-Vis）對制備的薄膜樣品進行紫外吸收光譜測試，掃描波長范圍300～550nm；場發射特性由沈科儀生產的RF-PECVD設備在真空度達到2×10-4Pa以下時對樣品進行場致發射特性測試，測試過程中施加的電壓不高于3kV。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射（XRD）結果

圖1給出不同制備時間下樣品的XRD圖譜。從圖1中可以看出，制備時間為60min（樣品A）時，樣品為非晶結構，隨著制備時間的增加，樣品在36.100°處出現較強的衍射峰，且結晶取向單一（樣品C），通過比對該衍射峰為纖鋅礦結構AlN（002）的衍射峰。這是由于在短的濺射時間下表面原子沒有足夠能量，因此沒有足夠的結合能形成晶粒，原子排列傾向于無序排列，結晶性較差。隨著濺射時間的增加，襯底表面的原子不斷獲得能量，原子的遷移能力增強，遷移率提升，薄膜中原子排列趨于有序，最終呈現出結晶相。

圖1 不同濺射時間下AlN薄膜的X射線衍射圖譜

根據Scherer公式［9］：

計算樣品C的晶粒尺寸。其中D為晶粒尺寸，k為常數，通常取1，λ為X射線波長，β為衍射峰半高寬，θ為衍射角。計算結果如表1：

表1 AlN薄膜樣品理論晶粒尺寸

Scherer公式計算得出的晶粒尺寸在幾十納米范圍與實際符合較好，所以此計算結果能夠反應出薄膜的結晶質量。從表1中可以看出，樣品已經具有良好的結晶特性。

2.2 生長速率

利用表面輪廓儀測得濺射時間分別為60min，120min，180min的薄膜結構厚度，如表2所示。從表中可以看出，隨著濺射時間的延長，由于過渡層的形成，促進了薄膜生長速率的提升，從而加速了樣品的結晶化。通過計算得出平均生長速率為3.96nm/min，與T.Shiosaki［10］等人報道的生長速率相近。

表2 不同濺射時間的AlN薄膜樣品膜厚

2.3 紫外吸收

圖2給出了不同制備時間下樣品的可見光-紫外吸收光譜。作各樣品吸收邊的斜率曲線，從圖中可以看出，各樣品的吸收邊大于208nm，且隨著制備時間的延長，樣品的紫外吸收邊發生紅移。

圖2 不同濺射時間的AlN薄膜的紫外吸收光譜

根據波長λ與禁帶寬度Eg滿足關系：

其中，h為普朗克常量，c為光速。通過計算得出所制備樣品的禁帶寬度分別為：60min：5.20eV；120min：4.93eV；180min：4.83eV。

AlN的禁帶寬度在室溫下一般為6.0～6.2eV，通過禁帶寬度與波長的關系得出單晶AlN薄膜光吸收理論值在207.17～200.48nm之間，所測得的薄膜吸收波長最短在238.76nm，最長為257.19nm，均與理論值有所偏差，這是由于磁控濺射鍍膜時基片上首先形成無定形結構，隨著時間增加進而形成結晶相，所以沉積的薄膜不是單晶結構；另外由于AlN的晶格對氧有較大的親和力，薄膜不可避免地混入氧雜質，其中一部分“溶解”在晶格中，另一部分則在其表面形成氧化膜。因此，薄膜結晶不完善導致的非晶結構和存在的內部空缺及氧原子的影響，使其能級低于6.2eV，導致其禁帶寬度變窄。同時，隨著濺射時間的增加，薄膜的厚度也隨之增加，無定型結構含量將會增加，禁帶寬度也會因此減小，但同時發現濺射時間為120min和180min樣品的禁帶寬度的減小量變小，這是由于在此條件下，薄膜中非晶結構進一步結晶減緩了因膜層增厚而導致的禁帶寬度減小，這與XRD結果相符。

2.4 場發射特性

對樣品C進行了場發射性能表征。結果分別是在p型Si（100）襯底上濺射時間為180min薄膜的場發射J-E曲線與F-N曲線（圖3、圖4）。根據閾值電場的定義：當場發射電流為0.5μA時，陽極與樣品之間最低電壓為閾值電壓，其對應電場為閾值電場［11］。通過數據處理，得到了此薄膜樣品的閾值電場為6.39V/μm，并由圖可知，當電場增至11V/μm時，發射電流密度為68μA/cm2。從F-N曲線圖中可知，曲線近似為一條直線，符合經典的F-N理論公式，表明發射是通過電子隧穿表面勢壘完成的。由于Si/AlN界面勢壘較低，電子較容易從Si襯底上注入AlN薄膜，導致其具有較低的閾值電場和較大的發射電流。

圖3 AlN薄膜的場發射測試J-E關系曲線

圖4 AlN薄膜的場發射測試F-N關系曲線

3 結論

本論文利用磁控濺射方法，在p型Si襯底上制備了（002）取向生長的氮化鋁（AlN）薄膜，通過優化制備時間得到了結晶性較好的AlN薄膜，實現了對其（002）生長取向的可控制備。由于受到非晶結構以及雜質的影響，所制備AlN薄膜的禁帶寬度與理論值產生偏差，隨著濺射時間的增加，薄膜的進一步結晶將弱化這些因素的影響。

AlN薄膜的場發射測試結果表明，所制備薄膜的閾值電場較低，發射電流較大，且F-N曲線近似為直線，說明制備的AlN薄膜具備良好的場發射特性。

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Field Emission Properties of AlN Thin Films Prepared by RF Magnetron Sputtering

WU Chengze，WANG Jianbo，GONG Nan，FENG Yu，LIAN Yuxiang，SUN Guancheng，YU Miao
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

AlN is a wide band gap deep ultraviolet semiconductor material，its good performance can be used as a solid-state ultraviolet light source.AlN thin films were deposited on Si（100）substrate by RF magnetron sputtering. The sample was characterized by means of X ray diffraction（XRD），ultraviolet visible spectroscopy（UV-Vis）and field emission test，the effect of growth characteristics on the absorption of light and its field emission properties were investigated.The results show that a high（002）AlN films were successfully deposited on the Si substrate，it has strong absorption at 230～250nm and the threshold electric field is 6.39V/μm.The field emission test results show that the prepared AlN films have good field emission properties.

magnetron sputtering；AlN thin films；band gap；field emission properties

O469

A

1672-9870（2017）01-0043-04

2016-11-02

國家自然科學基金（61405189）；吉林省教育廳科技項目（2013-378）；大學生創新創業訓練計劃項目（2013S010）；吉林省科技計劃項目（自然科學基金項目）（20150101019JC）

吳成澤（1991-），男，碩士研究生，E-mail：wcz808@163.com

汪劍波（1978-），男，副教授，E-mail：wangjianbo@126.com