寬禁帶半導(dǎo)體薄膜的制備與特性

寬禁帶半導(dǎo)體薄膜的制備與特性

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1、吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要寬禁帶半導(dǎo)體薄膜的制備與特性作者殷紅導(dǎo)師趙永年教授!歸-吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要本論文工作主要是用射頻反應(yīng)磁控濺射方法制備二氧化欽、氮化鋁和氮化硼薄膜,在實驗的過程當(dāng)中進行了儀器的改造,并研究了這三種半導(dǎo)體材料的性質(zhì)。二氧化欽、氮化鋁和氮化硼都屬于寬禁帶半導(dǎo)體.由于二氧化欽薄膜具有高折射率、高介電常數(shù)、寬的禁帶寬度(Eg=3.2eV)、半導(dǎo)體特性和高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能,因而它具有廣泛的光學(xué)和電子學(xué)的應(yīng)用,它在光催化、太陽能電池等許多方面都有著重要的應(yīng)用。二氧化欽M02)主要有板欽礦(brookite)、金紅石(rutil

2、e)和銳欽礦(anatase)三種晶型,其中金紅石和銳欽礦Ti02應(yīng)用較為廣泛,本論文也主要是針對這兩種晶型進行研究。氮化鋁(AIN)的禁帶寬度大(6.2eV)、密度高、熱導(dǎo)率大、熱膨脹系數(shù)小、體電阻大。它的硬度接近石英的硬度,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有良好的聲學(xué)性質(zhì)。因此,AIN薄膜是一種很有應(yīng)用前景的材料,可用做微電器件、光學(xué)器件,如集成電路的鈍化層和介電層,短波長發(fā)射器件和表面波器件。AIN薄膜由于這些優(yōu)良的機械和電子性能而引起國際上廣泛研究。本論文主要是利用射頻磁控濺射方法研究鉛鋅礦AIN薄膜的沉積和制備基底一AIN復(fù)合材料來檢測其二極層厚度以內(nèi)

3、的性能。立方氮化硼(cBN)具有閃鋅礦結(jié)構(gòu),其硬度僅次于金剛石。它的摩擦系數(shù)很小,而且化學(xué)穩(wěn)定性很好,適合于作刀具的特別是加工鐵基合金的刀具的涂層,這是因為它不象金剛石那樣與鐵有較強的親和力。另外,由于它具有很寬的禁帶寬度(Eg-6.4eV),高的熱導(dǎo)率(13Wcm"'K"'),既能摻雜成n型半導(dǎo)體,又能摻雜成P型半導(dǎo)體,所以在電子應(yīng)用方面很有前景。用它制成的發(fā)光二極管可發(fā)出波長在紫外區(qū)的光(215nm,5.8eV).立方氮化硼(cBN)薄膜由于這些優(yōu)良的機械和電子性能而引起國際上廣泛研究。本論文的主要工作就是利用射頻磁控濺射方法分別制備這三種寬

4、禁帶半導(dǎo)體薄膜材料。其中,我們利用常規(guī)的射頻磁控濺射方法制備吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文了TiO:和AIN薄膜,而。BN薄膜則是采用改進的磁控濺射方法來制備的。下面,將分別介紹三種寬禁帶半導(dǎo)體的研究情況。首先制備了Ti02薄膜,用Raman光譜研究了二極層厚度以內(nèi)及附近不同厚度薄膜相結(jié)構(gòu)的變化,發(fā)現(xiàn):(1)薄膜的Raman吸收峰與體材料的吸收峰有一定的偏移,這是納米尺寸效應(yīng)的作用;(2)在工作氣壓為1Pa時,相結(jié)構(gòu)為金紅石結(jié)構(gòu),隨著薄膜厚度的增加,樣品的相結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化;但在2Pa時,Ti氏在NiMnC。和Si基底上均隨著厚度的增加從金紅石相變化到銳欽

5、礦相。然后,我們研究了在二極層厚度以內(nèi)Ti02薄膜的電學(xué)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)了:(1)NiMnC?;咨系亩趸瘹J薄膜隨著厚度的變化發(fā)生了一個從良導(dǎo)體到半導(dǎo)體到絕緣體的轉(zhuǎn)變,到達二極層厚度以外,薄膜就變成了絕緣體。(2)而在高摻雜Si基底上時,二氧化欽薄膜隨著厚度的變化經(jīng)歷了由半導(dǎo)體到絕緣體的轉(zhuǎn)變。最后,我們研究了納米Ti02薄膜的吸收光譜,發(fā)現(xiàn)了二極層厚度以內(nèi)的Ti02的吸收由紫外區(qū)轉(zhuǎn)移到了可見區(qū),這是由功函數(shù)差造成的界面電子轉(zhuǎn)移引起的,這一特性可能在新型太陽能電池的開發(fā)中具有重要意義。用磁控濺射設(shè)備制備了AIN薄膜。通過研究發(fā)現(xiàn),在濺射氣壓為1Pa,氮

6、氣含量20%,濺射功率為80W時,AIN薄膜生長均勻、緩慢,各個沉積參數(shù)才能得到準確控制。通過分析,AIN薄膜里晶粒的取向為(100)和(110)。制備TNiMnCo-AIN.AI-AIN,輕摻雜Si(100)-AIN、重摻雜Si(100)-AIN復(fù)合材料。電學(xué)性質(zhì)表明:(1)NiMnCo-AIN和AI-AIN復(fù)合材料薄膜表面的性質(zhì)經(jīng)歷一個由導(dǎo)體向半導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變;而NiMnCo-AIN的二極層厚度要比Al-AIN的二極層厚度小;(2)對于輕摻雜Si(100)-AIN和重摻雜Si(100)-AIN來說,它們的薄膜經(jīng)歷一個由半導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變

7、過程;而輕摻雜Si(100)-AIN要比重摻雜Si(100)-AIN的二極層厚度要小。最后,通過FTIR來研究c-BN薄膜的內(nèi)應(yīng)力,并且通過改進實驗設(shè)備來降低c-BN薄膜的內(nèi)應(yīng)力。紅外光譜表明,基底負偏壓越高,內(nèi)應(yīng)力越高,紅外吸收峰位就越高。在傳統(tǒng)的磁控濺射設(shè)備上制備了c-BN薄膜。其紅外吸收峰位是1032cm'l,比文獻通常報道的吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文1050-1100cm-’要低大約20cm'l,這說明了傳統(tǒng)設(shè)備制備的c-BN薄膜內(nèi)應(yīng)力比較低。利用正偏壓制備的薄膜樣品表明,其紅外吸收峰位為1004.7cm",十分接近無應(yīng)力狀態(tài)下的理論計算值10

8、04cm"1,說明c-BN薄膜內(nèi)的應(yīng)力己經(jīng)十分的低,接近于無應(yīng)力狀態(tài)。但是,在c-BN薄膜與基底之間存在一個由h-BN,w-BN和E-B

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