立方氮化硼薄膜的相變和光、電性能研究.pdf

1、在氮化硼系統(tǒng)中，立方氮化硼(Cubic boron nitride，c-BN)是集眾多優(yōu)異的物理和化學(xué)特性于一身的超硬、寬帶隙半導(dǎo)體材料?；赾-BN的高硬度和高熱導(dǎo)率、在空氣中優(yōu)異的高溫抗氧化性、對(duì)鐵族金屬較低的化學(xué)活性、小摩擦系數(shù)，高溫高壓(HTHP)合成的c-BN單晶顆粒已經(jīng)在刀具、磨具等機(jī)械加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合優(yōu)異的機(jī)械性能，作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，c-BN在光電領(lǐng)域的應(yīng)用前景無(wú)限，尤其是在特殊環(huán)境下。在III-V族化合

2、物半導(dǎo)體中，c-BN光學(xué)帶隙最寬(Eg>6.4 eV)，使其在從紫外到可見(jiàn)再到紅外很寬的光譜范圍內(nèi)都表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)透過(guò)率。因此，c-BN在光學(xué)方面的應(yīng)用范圍非常廣泛。相對(duì)于金剛石，c-BN更容易實(shí)現(xiàn)p型與n型摻雜，因此，c-BN在透明、高溫、高頻、大功率、抗輻射光電子器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景。 高溫高壓制備的c-BN晶體顆粒的小尺寸嚴(yán)重限制了c-BN在制作刀具超硬涂層以及光學(xué)、電子元器件等方面的應(yīng)用。隨著薄膜技術(shù)的迅速發(fā)展，

3、研究者對(duì)高質(zhì)量c-BN薄膜制備方法和特性開(kāi)展了較廣泛的研究。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外在c-BN薄膜方面的研究現(xiàn)狀，本文在高質(zhì)量c-BN薄膜的制備、相變路徑和機(jī)理、高溫光學(xué)性能以及電學(xué)摻雜方面開(kāi)展了一定的工作。 1)分析了在BN薄膜的沉積過(guò)程中可能的三種相變過(guò)程，得到從h-BN到c-BN轉(zhuǎn)變的一個(gè)可能途徑：h-BN→r-BN→c-BN。發(fā)現(xiàn)從h-BN到r-BN的轉(zhuǎn)變需要克服一個(gè)很高的能量勢(shì)壘，而r-BN到c-BN的轉(zhuǎn)變只需要克服一個(gè)很低的能

4、量勢(shì)壘。BN薄膜中存在的大量缺陷和雜質(zhì)大大降低了從h-BN到r-BN轉(zhuǎn)變所需要的能量，促進(jìn)了薄膜中立方相的形成。 2)基于對(duì)c-BN薄膜沉積過(guò)程中相變路徑的分析，分離c-BN的成核與生長(zhǎng)階段，改良傳統(tǒng)的c-BN薄膜射頻濺射制備工藝，提出了“三步法”制備工藝，實(shí)現(xiàn)了立方相含量高、粘附性強(qiáng)的c-BN薄膜的可重復(fù)性制備。 3)對(duì)BN薄膜進(jìn)行了氮?dú)獗Ｗo(hù)高溫退火處理。發(fā)現(xiàn)了由h-BN到c-BN再到h-BN的連續(xù)的可逆相變過(guò)程。由h

5、-BN到c-BN的最佳相變溫度為900℃。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展出一種立方相含量高、粘附性強(qiáng)的c-BN薄膜的可重復(fù)性制備方法。同時(shí)，觀察到以正交相氮化硼(E-BN)為中間媒介相，由h-BN到E-BN再到c-BN的階梯式的間接相變路徑。含有大量結(jié)構(gòu)缺陷的h-BN以及面間隙缺陷的存在對(duì)于h-BN到c-BN的相變起到了關(guān)鍵的作用。 4)在熔融石英襯底上成功制備出光學(xué)帶隙達(dá)5.97 eV的h-BN薄膜。該值是迄今對(duì)h-BN薄膜光學(xué)性能報(bào)道中的

6、最大值。發(fā)現(xiàn)h-BN薄膜的光學(xué)吸收行為符合非晶半導(dǎo)體典型的吸收特性。從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了之前研究者對(duì)h-BN光導(dǎo)的計(jì)算結(jié)果。 進(jìn)一步揭示了BN薄膜中立方相含量和光學(xué)性質(zhì)的高溫(700～900℃)依賴關(guān)系。發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的增加，薄膜的光學(xué)吸收邊界逐漸向高能量方向移動(dòng)。光學(xué)吸收特性的變化是高溫退火產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力松弛和結(jié)構(gòu)相變共同作用的結(jié)果。通過(guò)Urbach帶尾模型對(duì)薄膜吸收系數(shù)和光子能量關(guān)系的擬合，確定了薄膜的Urbach能(E0)。發(fā)

7、現(xiàn)隨著退火溫度的增加，BN薄膜逐步向高密度相c-BN轉(zhuǎn)變，折射率逐漸增大，光導(dǎo)的突增閾值也逐漸向高能量移動(dòng)。 5)用離子注入方法在BN薄膜中注入了Be。摻雜后的BN薄膜電阻率降低了3-6個(gè)數(shù)量級(jí)。電阻率隨Be注入劑量的增大而減小，隨退火溫度的升高而降低，隨立方相含量的增大而增大。純六角氮化硼薄膜電阻率要比有立方相含量的BN薄膜電阻率低2個(gè)數(shù)量級(jí)。zn離子注入摻雜實(shí)驗(yàn)表明，摻雜后的c-BN薄膜電阻率降低了4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。大劑量(1