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)異的物理和化學特性于一身的超硬、寬帶隙半導體材料。基于c-BN的高硬度和高熱導率、在空氣中優(yōu)異的高溫抗氧化性、對鐵族金屬較低的化學活性、小摩擦系數，高溫高壓(HTHP)合成的c-BN單晶顆粒已經在刀具、磨具等機械加工領域得到廣泛應用。結合優(yōu)異的機械性能，作為一種寬帶隙半導體材料，c-BN在光電領域的應用前景無限，尤其是在特殊環(huán)境下。在III-V族化合

2、物半導體中，c-BN光學帶隙最寬(Eg>6.4 eV)，使其在從紫外到可見再到紅外很寬的光譜范圍內都表現出優(yōu)異的光學透過率。因此，c-BN在光學方面的應用范圍非常廣泛。相對于金剛石，c-BN更容易實現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用前景。 高溫高壓制備的c-BN晶體顆粒的小尺寸嚴重限制了c-BN在制作刀具超硬涂層以及光學、電子元器件等方面的應用。隨著薄膜技術的迅速發(fā)展，

3、研究者對高質量c-BN薄膜制備方法和特性開展了較廣泛的研究。針對目前國內外在c-BN薄膜方面的研究現狀，本文在高質量c-BN薄膜的制備、相變路徑和機理、高溫光學性能以及電學摻雜方面開展了一定的工作。 1)分析了在BN薄膜的沉積過程中可能的三種相變過程，得到從h-BN到c-BN轉變的一個可能途徑：h-BN→r-BN→c-BN。發(fā)現從h-BN到r-BN的轉變需要克服一個很高的能量勢壘，而r-BN到c-BN的轉變只需要克服一個很低的能

4、量勢壘。BN薄膜中存在的大量缺陷和雜質大大降低了從h-BN到r-BN轉變所需要的能量，促進了薄膜中立方相的形成。 2)基于對c-BN薄膜沉積過程中相變路徑的分析，分離c-BN的成核與生長階段，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，實現了立方相含量高、粘附性強的c-BN薄膜的可重復性制備。 3)對BN薄膜進行了氮氣保護高溫退火處理。發(fā)現了由h-BN到c-BN再到h-BN的連續(xù)的可逆相變過程。由h

5、-BN到c-BN的最佳相變溫度為900℃。在此基礎上，發(fā)展出一種立方相含量高、粘附性強的c-BN薄膜的可重復性制備方法。同時，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。含有大量結構缺陷的h-BN以及面間隙缺陷的存在對于h-BN到c-BN的相變起到了關鍵的作用。 4)在熔融石英襯底上成功制備出光學帶隙達5.97 eV的h-BN薄膜。該值是迄今對h-BN薄膜光學性能報道中的

6、最大值。發(fā)現h-BN薄膜的光學吸收行為符合非晶半導體典型的吸收特性。從實驗上證實了之前研究者對h-BN光導的計算結果。 進一步揭示了BN薄膜中立方相含量和光學性質的高溫(700～900℃)依賴關系。發(fā)現隨著退火溫度的增加，薄膜的光學吸收邊界逐漸向高能量方向移動。光學吸收特性的變化是高溫退火產生的薄膜應力松弛和結構相變共同作用的結果。通過Urbach帶尾模型對薄膜吸收系數和光子能量關系的擬合，確定了薄膜的Urbach能(E0)。發(fā)

7、現隨著退火溫度的增加，BN薄膜逐步向高密度相c-BN轉變，折射率逐漸增大，光導的突增閾值也逐漸向高能量移動。 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個數量級。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個數量級。zn離子注入摻雜實驗表明，摻雜后的c-BN薄膜電阻率降低了4～5個數量級。大劑量(1