高质量立方氮化硼薄膜的制备及光电特性的研究.pdf

捅安摘要立方氮化硼(cBN)具有优异的物理化学性质,如仅次于金刚石的硬度、高温下强的抗氧化能力、不易与铁族金属反应、可n型掺杂也可P型掺杂成为半导体等,立方氮化硼(cBN)薄膜在切削刀具、电子和光学器件等方面有着潜在的重要应用前景。cBN薄膜的制备和性质研究一直是国际上的研究热点和难点之一。本文主要研究cBN薄膜的制备、光学带隙以及BN(n-type)/Si(p-type)异质结的特性。使用射频溅射(RF)系统,靶材为烧结的六角氮化硼(hBN),工作气体为氩气(或氩气和氮气的混合气),在硅衬底上沉积氮化硼薄膜。系统地研究了衬底偏压、衬底温度、工作气压、Si晶片的类型等多种因素对制备cBN薄膜的影响。薄膜用红外光谱和X射线光电子能谱标识,薄膜的形貌用扫描电镜和原子力显微镜观察。用紫外一可见分光光度计测量了沉积在石英片上的BN薄膜的透射光谱和反射光谱,用台阶仪测量薄膜的厚度。在P型硅晶片上,在薄膜沉积过程中就地用硫蒸气掺杂而制备出n型氮化硼薄膜,用高阻仪测得 BN(n—type)/Si(p-type异质结的I—V&C-V曲线。基于优化的沉积条件,制备出立方相含量高达92%的cBN薄膜。为了改善薄膜对衬底的粘附性,发展了两步沉积方法,将沉积过程分成成核和沉积两步。由第一步到第二步,工作气体由氩气变为氩气和氮气的混合气体,同时偏压和温度降为较低的值。傅立叶红外(FTIR)谱的测量结果表明:用两步法制备的cBN 薄膜的应力比用常规方法制备的cBN薄膜的应力小4Gpa。B/, cBN的体积分数为88%,AFM图表明薄膜为柱状生长。薄膜在自然环境中6个月没有剥落。为解释cBN薄膜的生长机理,首次提出综合一统一模型。根据薄膜的透射和反射光谱计算了薄膜的吸收系数,用新的含有光学带隙(瞄的公式的中间形式确定了cBN薄膜的光学带隙。结果表明:光学带隙(E。) 北京工业大学理学博士论文随着cBN含量的增加而增大,和经验公式的计算结果相吻合。画出并研究了p-Si/n—BN异质结的能带结构,从I—V特性曲线看出该异质结有整流特性,×10—7A,击穿电压为30V,开启电压为14V。还研究了电容一电压(C-V)特性, X1014cm。3. 关键词立方氮化硼薄膜;射频溅射;两步法;光学带隙;异质结 II Abstract Abstract Cubic boron nitride(cBN)thin films have significant and potential technological application prospect incutting tools,electronic and optical devices, etc.,because cBN possesses excellent physical and chemical properties,such as nltrahigh hardness only inferior todiamond,inertness against oxidation athigh temperature,uneasy reaction埘m irongroup metal,as wellas thepossibility of using as n—and p-type doped preparation and property research ofcBN film have been one ofdi伍cultand attractivefieldinthe scientific dissertation focuses on thepreparation ofcBN films,theiropticalgaps, and thecharacteristics ofBN(n—type)/Si(p—type)heterojunction. Boron nitride(BN)thin films were deposited on Sisubstrates using the conventional radio—frequency(RF)sputtering system,With laexagonal boron nit-ride (11BN)target and working gas ofargon(or mixture ofnitrogen andargon).The influence ofvarious factors,such as substratebiasvoltage andtemperature,working gas pressure,types of Si