磁控濺射SiC薄膜及其光電特性研究_圖文

1、磁控濺射SiC薄膜及其光電特性研究3周繼承,鄭旭強(qiáng)(中南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410083摘要:用射頻磁控濺射法制備了SiC薄膜,并對(duì)其進(jìn)行了退火處理。用A FM觀察了薄膜的表面形貌,測(cè)量了薄膜的厚度與透射光譜。用J.C.Manifacier提出并由R.Swanepoel加以修正和完善的包絡(luò)線法對(duì)薄膜透射光譜進(jìn)行了分析計(jì)算,并結(jié)合Tuac公式確定了薄膜的光學(xué)帶隙。結(jié)果表明:在不同射頻功率下制備的薄膜均有較強(qiáng)的藍(lán)紫光吸收特性,在低功率下可制備出表面平整,吸收系數(shù)小,光學(xué)帶隙大的薄膜;退火處理后薄膜的吸收系數(shù)減小,光學(xué)帶隙增大,晶粒向圓形轉(zhuǎn)化且尺寸變大。關(guān)鍵詞:SiC薄膜;射頻磁控濺射;

2、表面形貌;光學(xué)特性文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100129731(2007022*1引言SiC作為一種很有應(yīng)用前景的半導(dǎo)體材料,以高的禁帶寬度,高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高的電子熱導(dǎo)率,高的電子遷移率,以及抗輻射能力強(qiáng),結(jié)實(shí)耐磨損等物理化學(xué)特性特別適合于制作高頻、大功率、耐高溫器件。SiC 還是藍(lán)光發(fā)射和抗腐蝕性能方面的理想材料1。然而單晶SiC的生長(zhǎng)溫度過(guò)高,高于12002會(huì)使界面處存在大量的空位和缺陷,在較低溫度下生長(zhǎng)薄膜能有效的避免這些不足,而且擁有在發(fā)光二級(jí)管、光電晶體管、太陽(yáng)能電池和高溫傳感器3等光電器件方面應(yīng)用的重要特性。因此發(fā)展低溫制備SiC薄膜技術(shù)對(duì)于SiC器件的實(shí)際應(yīng)用有重大意義。目前,等

3、離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD、激光輔助沉積(PLD、磁控濺射(MS4等方法已經(jīng)用于低溫制備SiC薄膜,在這些方法中磁控濺射由于其成本低、沉積速率高、沉積溫度低、薄膜的黏附性好等特性得到了廣泛的關(guān)注和研究。用射頻磁控濺射法制備了SiC薄膜,并研究探討了薄膜的光電特性。2實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)用直徑100mm、厚5mm的純度為99.99%的燒結(jié)SiC為靶,用射頻磁控濺射法制備了SiC薄膜,其濺射氣體為純度99.99%的氬氣,襯底為拋光載玻片。在沉積薄膜前,首先用去離子水清洗基片15min,緊接著分別用丙酮和無(wú)水乙醇在超聲波清洗機(jī)各清洗15min,然后再用去離子水沖洗。當(dāng)真空度達(dá)到1×10-3Pa后

4、,向真空室沖入氬氣,調(diào)節(jié)氣體流量達(dá)150ml/min,使室內(nèi)壓強(qiáng)保持在1.0Pa;調(diào)節(jié)射頻功率到預(yù)定功率,分別為100、150、210、300W;沉積溫度和時(shí)間分別為室溫和25min。薄膜沉積前為了去除靶材表面的氧化物先進(jìn)行10min的預(yù)濺射,然后移開(kāi)擋板開(kāi)始沉積。用R TP2600M型快速退火爐對(duì)部分樣品進(jìn)行了700/150s的快速熱退火。用N T2MD T型原子力顯微鏡(A FM觀察薄膜的表面形貌;用Alp ha2Step IQ 型臺(tái)階儀測(cè)量薄膜厚度;透射光譜用TU21800型紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量,測(cè)量范圍為3301000nm。3結(jié)果和討論3.1沉積速率與射頻功率的關(guān)系圖1給出了沉積速

5、率與射頻功率的關(guān)系曲線。由圖1可知射頻功率對(duì)沉積速率的影響很顯著,當(dāng)射頻功率從100W增加到300W時(shí),沉積速率從5.26nm/ min增加到11.77nm/min,且與功率基本呈線形關(guān)系,這和文獻(xiàn)57的報(bào)道一致。另外射頻功率增大時(shí)濺射產(chǎn)額增加,使沉積區(qū)內(nèi)粒子密度增加,濺射材料粒子對(duì)氬氣的散射增強(qiáng),離子能量在碰撞過(guò)程中損失;過(guò)高能量的入射離子打入靶內(nèi)以及襯底的再度濺射都會(huì)影響薄膜的沉積速率,故會(huì)出現(xiàn)圖1曲線關(guān)系 。圖1沉積速率的射頻功率的關(guān)系曲線Fig1The curve of depo sit de ratio wit h RF2power 3.2SiC薄膜的表面形貌圖2和3是剛沉積的和70

6、0退火后SiC薄膜的091功能材料2007年第2期(38卷3基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60371046收到初稿日期:2006207228收到修改稿日期:2006210217通訊作者:周繼承作者簡(jiǎn)介:周繼承(1963-,男,湖南寧鄉(xiāng)人,教授,主要從事微納電子材料與器件的教學(xué)科研工作。 。圖2退火前A FM 圖片。Fig 2A FM images of deposited圖3700退火后A FM 圖片F(xiàn)ig 3A FM images of annealed at 7003.3射頻功率對(duì)薄膜光學(xué)特性的影響圖4示出了折射率隨射頻功率的變化曲線。從圖4中可以看出,在不同射頻功率下制備的薄膜,其

7、折射率基本保持在1.73左右不變;圖5是吸收系數(shù)隨射頻功率的變化曲線,隨著射頻功率的增大,吸收系數(shù)有明顯增大的趨勢(shì);各個(gè)吸收曲線均有一個(gè)吸收系數(shù)峰與600700nm 透射譜的透射率低峰相對(duì)應(yīng) 。圖4折射率2射頻功率曲線Fig 4The curve of refractive index wit h RF 2power 薄膜吸收系數(shù)與光學(xué)帶隙E op 的關(guān)系滿足Tauc 公式10:(hw 12=K (hw -E op 2(1對(duì)本實(shí)驗(yàn)制備樣品透射光譜做Tauc 圖,發(fā)現(xiàn)均滿足Tauc 公式,圖6是射頻功率為100W 時(shí)情況,它與公式(1的擬合結(jié)果十分理想。圖7是SiC 薄膜的光學(xué)帶隙2射頻功率曲線

8、,從圖7中可以看出在不同的射頻功率下制備出的SiC 薄膜其光學(xué)帶隙在1.72.8eV 間變化。且隨著射頻功率的增大,薄膜的光學(xué)帶隙是逐漸減小的。據(jù)文獻(xiàn)11,對(duì)于富C 薄膜大量類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)中的三配位C 原子的存在是導(dǎo)致光學(xué)帶隙減小的主要原因。據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)12,13,濺射SiC 靶制備的薄膜均為富C 薄膜。隨著射頻功率增加,多余的C 原子的含量增加,發(fā)生群聚形成類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)的概率增大,導(dǎo)致薄膜的光學(xué)帶隙減小 。圖5不同功率下吸收系數(shù)2光子能量曲線Fig 5The curves of absorption coefficient wit h energyof p hones at different R

9、F 2 power圖6射頻功率100W 對(duì)應(yīng)的Tauc 圖Fig 6The curve of Tauc at RF 2power of 100W圖7光學(xué)帶隙2射頻功率曲線Fig 7The curve of band gap wit h RF 2power 3.4薄膜的紫外可見(jiàn)光透射光譜圖8是設(shè)定基底的透過(guò)率為基準(zhǔn)線后不同功率下制備出的SiC 薄膜的透射光譜。由圖8可知光波長(zhǎng)在550nm 以下時(shí)SiC 薄膜有較強(qiáng)的吸收特性。這和文獻(xiàn)報(bào)道的用磁控濺射制備的SiC 薄膜有較強(qiáng)的藍(lán)紫光吸收特性一致14。射頻功率為150、210和300W 時(shí),所有樣品在光波長(zhǎng)為600700nm 的范圍內(nèi)都有一個(gè)透射率低

10、峰,而且隨著射頻功率的增加,此吸收峰有所增強(qiáng)。這是因?yàn)樵谳^大射頻功率下制備的SiC 薄膜含有在600650nm 間有較強(qiáng)吸收特性的6H 2SiC 的微晶成分15,而且隨著射頻功率的增加,濺射粒子的遷移191周繼承等:磁控濺射SiC 薄膜及其光電特性研究能力增強(qiáng),形成6H 2SiC 微晶晶粒的數(shù)量增多。 圖8不同射頻功率薄膜的透射率Fig 8Transmission of films at different RF 2power 3.5退火處理對(duì)薄膜光學(xué)特性的影響對(duì)在射頻功率為150W ,沉積氣壓為1.0Pa 的沉積條件下制備出的SiC 薄膜樣品,采用快速退火方式在700/150s 條件下進(jìn)行了

11、熱退火。分析比較了退火前后樣品的光學(xué)特性。結(jié)果表明退火后薄膜的折射率沒(méi)有發(fā)生明顯變化;但在弱吸收區(qū)的吸收系數(shù)明顯下降。薄膜光學(xué)帶隙有所增加(見(jiàn)圖9,其主要原因是退火處理使SiC 薄膜中C 的含量有所降低12。 圖9退火處理后Tauc 圖Fig 9The curves of Tauc before and after annealingprocesses4結(jié)論通過(guò)對(duì)沉積條件的控制,用Ar 氣作為工作氣體,以燒結(jié)SiC 作為靶材,用射頻磁控濺射法制備出了理想的SiC 薄膜樣品。薄膜結(jié)構(gòu)致密,晶粒較為均勻細(xì)小且均呈橢圓狀。薄膜均有較強(qiáng)的藍(lán)紫光吸收特性,射頻功率稍高(150300W 時(shí)薄膜在60070

12、0nm 處有一弱的吸收峰,由薄膜中6H 2SiC 微晶引起。射頻功率變化時(shí)薄膜的折射率均保持在1.73左右,吸收系數(shù)隨射頻功率的增大有明顯增大的趨勢(shì)。光學(xué)帶隙在1.62.8eV 的范圍內(nèi),且隨射頻功率的增加光學(xué)帶隙減小。退火處理后,薄膜的吸收系數(shù)明顯減小,光學(xué)帶隙有所增大,但折射率沒(méi)有發(fā)生明顯變化。參考文獻(xiàn):1Sha Z D ,Wu X M ,Zhuge L J.J .Vacuum ,2005,79:2502254.2Kerdiles S ,Rizk R ,Perez 2Rodriguez A ,G arrido B ,et al.J .Solid 2State Electronics ,19

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16、ce and Technology ,Cent ral Sout h U niversity ,Changsha 410083,China Abstract :SiC t hin 2films were prepared by RF 2magnet ron sp uttering technique (RMS and t hen annealed.The surface morp hology of t he films has been observed by A FM.The t hickness and t ransmission spect rums were measured and

17、 t he met hod of envelopes brought up by J.C.Manifacier and amended by R.Swanepoel was em 2ployed to analyze t he t ransmission spect rums ,and t hen t he band gap was got wit h Tauc equation.The result s show t hat all t he films deposited at different RF 2power have a st rong absorbency from blue to p urple light s ,and when t he RF 2power is low ,t he SiC t hin 2films which possess smoot h surface ,small absorption coefficient and large band gap can be depo sited.After annealing p rocesses ,