射频磁控溅射生长BN薄膜及其接触特性的研究.pdf

I 摘要功率集成电路可以将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上,实现了电能和信息的集成,成为机电一体化的理想接口, 由于其具有较大的输出功率, 因此, 对制作材料的要求非常苛刻。而 BN 材料由于其具有很宽的禁带宽度( E g > ) 、良好的导热性(~13W/cm·K , 仅次于金刚石)以及优异的热稳定性和化学稳定性,完美地符合了功率集成电路需要。然而,人工制备 BN 单晶常常需要高温( >1000 ℃)高压(几个 GPa )的苛刻条件,因此很难获得大尺寸、高质量的 cBN 单晶,不利于现代电子电路的集成与应用。因此人们希望能够制备高质量、大面积的 BN 薄膜,以有利于其在功率集成电路领域中的应用。除了可应用于功率集成电路,BN 薄膜还是石墨烯器件的理想衬底材料,而且作为第三代半导体材料,BN 薄膜在光学表面涂层、深紫外光电探测器及发光器件、以及耐高温大功率电子器件等方面也具有潜在应用价值。 硅是应用最为广泛的集成电路基底材料, 具有价格低廉、工艺成熟、利于集成等优点,因此本论文以 Si 材料为衬底,采用磁控溅射手段进行了 BN 薄膜的生长研究。取得的主要研究结果如下: 1. 采用射频磁控溅射工艺,在 N 型 Si 衬底上制备了 BN 薄膜,溅射功率为 150W ,本底真空度 5 × 10 -4 Pa,工作气氛为 Ar 气,工作气压为 1Pa 。重点研究了溅射时间、衬底温度以及退火工艺对于 BN 薄膜性能的影响。分析了溅射时间分别为 1h 、 2h 、 3h 的 BN 薄膜样品的红外光谱,不仅观测到 sp 2 杂化的 hBN 的 TO 模振动峰,还观测到 sp 3 杂化的 cBN 和 wBN 的 TO 模振动峰,以及 sp 2 和 sp 3 混合杂化的 eBN 振动峰,此外,还观测到 B-O 键振动吸收峰,位于 1280cm -1 附近。 XPS 的结果也证明了 B-N-O 键的存在,由于 O的作用,使得 B 和 N 的束缚能都向高能方向移动。说明制备的 BN 薄膜组分复杂, 主要包含 cBN 、 hBN 以及 BN x O y 的化合物。研究了衬底温度分别为 200 ℃、 300 ℃和 400 ℃时制备的 BN 薄膜的红外光谱,发现衬底温度的升高明显有利于 hBN 的沉积生长,但 BN x O y 化合物的含量依然不可忽略,说明衬底温度的升高也同样利于 B-N-O 键的形成。将 BN II 薄膜样品在氮气氛围 650 ℃下退火 ,发现高温热退火不仅可以减小 BN 薄膜的内应力,而且可以改善 BN 薄膜的结晶质量,特别是对 BN 厚膜,效果更显著。 2. 研究了 BN/Si 异质结的电学特性和 BN 薄膜的紫外光吸收特性。通过 I-V 特性的测试,证明 BN/Si 异质结具有良好的整流特性, BN 薄膜为 P 型导电, Si 衬底为 N 型导电, p-BN/n-Si 异质结的最高整流比大于 1000 。制备的 BN 薄膜具有显著的紫外光吸收现象。通过分析紫外吸收光谱,计算得到衬底温度为 300 ℃制备的 BN 薄膜的光学带隙达到 ,且符合直接带隙材料的吸收规律,说明衬底温度为 300 ℃的 BN 薄膜样品中的 hBN 含量比较高, hBN 的含量决定了薄膜整体的光学带隙与紫外光吸收特性。 3. 研究了 cBN 单晶与薄膜材料的金属电极制备及金半接触特性研究。采用磁控溅射方法,分别在 cBN 单晶上制备了 Cr 、 Ti 金属薄膜电极。采用四探针法测量金属薄膜的电阻率均为 10 -3 ?·cm 量级。通过 I-V 特性测试发现, Cr 、 Ti 电极与 cBN 之间为肖特基接触,接触电阻很大, I-V 曲线呈现非线性特性。为了改善电极与 cBN 的接触质量,在 Cr 电极薄膜上又真空蒸镀了一层 Au 电极,并分别在 450 ℃和 900 ℃时对 Cr/Au 合金电极退火 20 分钟。退火后的 I-V 特性表明, 电极与 cBN 间的接触质量得到改善,且 900 ℃高温退火后的 Cr/Au 电极与 cBN 间表现出非整流特性。关键词: 宽禁带半导体,功率集成电路, BN 薄膜,射频磁控溅射,异质结,金半接触. III Abstract Power intergerated circuits can unify power electronic devices with the information circuits such as logic, cont rol, protection, sens ing, detection and self-diagnosis circuits on the same chip,