單晶材料生長方法

《單晶材料生長方法》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、單晶薄膜制備方法薄膜材料相對(duì)于塊體材料來說，可以應(yīng)用較小的原料而達(dá)到相應(yīng)的性能要求；而且薄膜材料還具有許多優(yōu)異的性能，使薄膜材料能夠滿足現(xiàn)在大型集成電路以及各種功能器件的要求，使器件向小型化、輕便化方向發(fā)展。單晶薄膜由于膜層內(nèi)部缺陷少、而且具有一定尺度的膜層具有一定的量子限域效應(yīng)，電子在其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有許多獨(dú)特的狀態(tài)和方式，從而產(chǎn)生更優(yōu)的性能，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。鑒于單晶薄膜的種種優(yōu)勢(shì)，人們對(duì)其的研究也進(jìn)行了許多年，各種單晶薄膜的制備技術(shù)被相繼開發(fā)出來，當(dāng)前生長和制備單晶薄膜的主要方法有：分子束外延（MBE）

2、、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、脈沖激光沉積（PLD）、電子束沉積（EBD）和原子束沉積法（ABD）等。一、分子束外延（MBE）分子束外延是一種在超高真空條件下，將原料通過熱蒸發(fā)等方式氣化升華，并運(yùn)動(dòng)致襯底表面沉積形成薄膜的的方法。配合儀器自帶的原位分析儀器（如RHEED等）可以精確控制膜層的成分和相結(jié)構(gòu)。分子束外延存在生長膜層速度太慢的缺點(diǎn)，每秒鐘大約生長一個(gè)原子層厚度，但可以精確控制膜層厚度。David等【1】運(yùn)用等離子體增強(qiáng)的分子束外延（PEMBE）方法直接在SiC襯底上制備了具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的、膜層質(zhì)量較好的

3、GaN單晶薄膜。由于GaN與SiC存在較大的晶格失配，以往的研究往往是預(yù)先在SiC表面制備AlN緩沖層，來減小晶格失配，得到單晶GaN膜層。生長過程中引入等離子體大大降低了由于晶格失配而極易出現(xiàn)的堆垛缺陷濃度，使得膜層質(zhì)量有較大改善。YefanChen等【2】同樣運(yùn)用PEMBE在藍(lán)寶石襯底上制備了單晶ZnO膜層，RHEED模式照片顯示ZnO在藍(lán)寶石襯底表面的外延生長是逐漸由二維生長轉(zhuǎn)變?yōu)槿S島狀模式生長的；且XRD分析表明ZnO沿（0001）方向擇優(yōu)生長；PL譜分析顯示ZnO膜層內(nèi)部的污染和本征缺陷濃度較低，晶體質(zhì)量較好。

4、二、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）主要用于Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體薄膜的制備，它是運(yùn)用載氣將金屬有機(jī)化合物氣體輸運(yùn)至襯底處，金屬有機(jī)化合物在輸運(yùn)過程中發(fā)生熱分解反應(yīng)，在襯底表面發(fā)生反應(yīng)并沉積形成薄膜的技術(shù)。該法具有沉積溫度低、對(duì)襯底取向要求低、沉積過程中不存在刻蝕反應(yīng)、可通過稀釋載氣調(diào)節(jié)生長速率和實(shí)用范圍較廣的優(yōu)點(diǎn)，但所使用的原料大部分劇毒且易燃，在試樣過程中應(yīng)該予以注意。J.Nishizawa等【3】運(yùn)用MOCVD法，以三甲基鎵（TMG）為鎵源，AsH3為砷源，H2為載氣，

5、成功制備了GaAs單晶薄膜，并系統(tǒng)研究了薄膜沉積過程中的反應(yīng)機(jī)制：當(dāng)以TMG+H2的混合氣體為鎵源時(shí)，500—550℃條件下，TMG迅速分解；溫度高于580℃時(shí)，余氣中只含有CH4；溫度高于930℃時(shí)，反應(yīng)過程中有其他碳水化合物生成。Y.LIU等【4】以二乙基鋅（DEZn）為鋅源，O2為氧源，運(yùn)用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上制備了可用于紫外探測(cè)的ZnO單晶薄膜，并在反應(yīng)氣中引入NH3嘗試對(duì)ZnO進(jìn)行N摻雜。XRD圖譜表明N摻雜ZnO擇優(yōu)取向生長，雖然隨著生長溫度的升高，ZnO薄膜的電阻率下降，但其導(dǎo)電類型仍然是n型，并沒有

6、因?yàn)镹的引入而發(fā)生導(dǎo)電類型的轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)殡S著處理溫度的升高，膜層中的O空位和Zn填隙原子濃度升高，抵消了N引入引起的p型導(dǎo)電性能（自補(bǔ)償效應(yīng)）。一、脈沖激光沉積（PLD）脈沖激光沉積法（PLD）是利用高能脈沖激光作用于源物質(zhì)表面，源物質(zhì)局部發(fā)生融化氣化升華，并進(jìn)一步與激光作用生成等離子體羽輝，并向襯底做等溫絕熱膨脹，在沉底表面生成薄膜的方法。此法具有能夠?qū)崿F(xiàn)同組分沉積，制備與靶材成分一致的的膜層；由于是高能等離子沉積，因此能夠在較低溫度下原位生長外延單晶膜層；能在氣氛中實(shí)現(xiàn)反應(yīng)沉積，可引入各種氣體如O2、H2等實(shí)現(xiàn)反應(yīng)沉

7、積制備以前難以制備的多組元薄膜等優(yōu)點(diǎn)。JiNanZeng等【5】以純度為99.999%的多晶ZnO為靶材，利用PLD法在硅片和石英襯底上制備了單晶ZnO薄膜，并研究了襯底溫度、氧氣氣分、激光頻率等對(duì)ZnO膜層的影響：隨著襯底溫度的升高，膜層結(jié)晶質(zhì)量提高；光學(xué)和電學(xué)性能隨著脈沖頻率的增加而呈現(xiàn)不同的變化；在高頻激光條件下，氧氣氣氛能夠有助于化學(xué)計(jì)量比失配而引起的缺陷濃度的降低。Myung-BokLee等【6】預(yù)先運(yùn)用脈沖激光沉積技術(shù)在Si（100）面沉積TiN緩沖層，然能用脈沖激光沉積技術(shù)在TiN表面外延生長了單晶BaTiO

8、3薄膜。XRD圖譜顯示BaTiO3薄膜沿（100）方向擇優(yōu)生長，而且對(duì)TiN/BaTiO3/TiN的金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行介電性能測(cè)量，結(jié)果顯示膜層具有很高的介電常數(shù)而非常小的漏電流，顯示了很好的介電性能。四、電子束沉積（EBD）電子束沉積技術(shù)是運(yùn)用電子束作為蒸發(fā)源，高能電子束撞擊靶材使靶材局部溫度