NSRL表面物理站的調(diào)試及寬禁帶半導(dǎo)體的SRPES研究.pdf

1、同步輻射光電子能譜作為一種探測物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)的手段，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成為一種非常成熟的實(shí)驗(yàn)技術(shù).由于這種技術(shù)能夠?qū)悠返谋砻婧徒缑孢M(jìn)行無損傷的探測，而且能夠在超高真空的環(huán)境下進(jìn)行原位分析，因此廣泛的應(yīng)用于固體材料的能帶結(jié)構(gòu)以及表面和界面研究.另一方面，以GaN，SiC和ZnO等為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大，化學(xué)穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是制造下一代高溫，高頻，大功率的微電子和光電子器件的優(yōu)選材料.利用同步輻射光

2、電子能譜技術(shù)研究這類半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，表面重構(gòu)和表面態(tài)，以及金屬半導(dǎo)體界面等方面不僅在基礎(chǔ)研究上具有重要意義，而且在半導(dǎo)體器件中也存在實(shí)際的應(yīng)用價值，因此一直以來都是半導(dǎo)體材料的研究熱點(diǎn). 本論文的工作一方面是對國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的表面物理實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了調(diào)試，并利用這個實(shí)驗(yàn)站的角分辨光電子能譜和芯能級譜等同步輻射光電子能譜技術(shù)，以寬禁帶半導(dǎo)體材料為對象，對它們的能帶色散，表面重構(gòu)，表面氧化行為，金屬半導(dǎo)體界面以及半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的

3、形成進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.主要的研究工作及結(jié)果如下： 1.表面物理實(shí)驗(yàn)站的調(diào)試在光束線調(diào)試期間，通過在光束線的末端安裝了一個氣體電離室，分別用ArL2,3吸收峰和KrM45的吸收峰測定了1200線和600線的光柵的分辨率.在光束線和實(shí)驗(yàn)站對接之后，我們利用光電二極管測試了光束線的光通量，得到了光束線單色器中三塊不同光柵的響應(yīng)曲線。利用二次諧波的方法標(biāo)定了光束線高能部分的光子能量，利用Au的Fermi邊標(biāo)定其低能部分，并估算了分辨率，

4、其結(jié)果與氣體電離室標(biāo)定的結(jié)果一致。最后對實(shí)驗(yàn)站能量分析器進(jìn)行準(zhǔn)直并首次在這個新建的實(shí)驗(yàn)站上用Cu單晶樣品進(jìn)行了同步輻射角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算和其他文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果吻合.我們的調(diào)試結(jié)果顯示在我們設(shè)計(jì)的能量范圍內(nèi)光束線的能量分辨率E/△E都保持在1000以上，光通量也都超過5x1010photons/s/100mA，低能的同步輻射激發(fā)室溫下Au的費(fèi)米邊寬度為150meV.這表明整個系統(tǒng)的性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠滿足用戶在表

5、面站開展同步輻射角分辨光電子能譜的實(shí)驗(yàn)需要.我們的調(diào)試結(jié)果為用戶提供了實(shí)驗(yàn)站運(yùn)行的一些參數(shù)，為他們提供了同步輻射光電子能譜實(shí)驗(yàn)必要的技術(shù)和條件. 2.寬禁帶半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)研究在調(diào)試好的表面物理實(shí)驗(yàn)站上，我們進(jìn)行了6H-SiC和六方ZnO單晶薄膜樣品的角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)，以獲得它們價帶的能帶色散和表面電子態(tài)信息.對于6H-SiC樣品，我們利用化學(xué)腐蝕以及氬刻和高溫退火的方法制備了有序的樣品表面，利用低能電子衍射，原子力顯微

6、鏡以及角分辨同步輻射光電子能譜并結(jié)合線性綴加平面波(LAPW)方法研究了其表面形貌，價帶電子態(tài)以及垂直方向的能帶色散.從同步輻射角分辨光電子能譜結(jié)果我們計(jì)算得到了6H-SiC沿ΓA方向的能帶結(jié)構(gòu)，理論和實(shí)驗(yàn)比較符合.對于ZnO單晶薄膜樣品，我們在氧氣氛中退火得到了有序表面，利用低能電子衍射，XPS以及同步輻射角分辨光電子能譜并結(jié)合LAPW方法研究了其表面結(jié)構(gòu)，價帶電子態(tài)以及能帶色散.通過分析垂直出射時的光電子能譜，我們得到了沿ΓA方向的

7、體能帶結(jié)構(gòu)以及兩個表面態(tài)；通過分析非垂直出射時的光電子能譜，我們得到了這兩個表面態(tài)在ΓKM方向的二維能帶色散，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于LAPW方法的理論計(jì)算進(jìn)行了比較.通過分析，我們認(rèn)為，這兩個表面態(tài)分別來源于表面原子的s-p電子態(tài)混雜的背鍵態(tài)和p-p(或者p-d)電子態(tài)混雜的背鍵態(tài). 3.寬禁帶半導(dǎo)體的表面和金屬半導(dǎo)體界面的研究我們利用化學(xué)腐蝕加上循環(huán)濺射和高溫退火的方法首次得到了6H-SiC(0001)-(2×2)C的表面重構(gòu)，并利用

8、同步輻射光電子能譜研究了這個表面重構(gòu)在室溫以及高溫下，在不同氧氣暴露量下的初始氧化過程.結(jié)合表面重構(gòu)的原子模型，我們分析了其初始的氧化行為.在室溫下氧化的結(jié)果表明氧原子率先與底層Si原子結(jié)合，而表面的增原子不易被氧化，其對應(yīng)的表面態(tài)仍然存在.這個初始的氧化行為和6H-SiC(0001)-3×3表面在低曝氧量(≤1L)情況下的氧化模式比較類似.但是在更高的曝氧量和高溫下，表面氧化顯得更加劇烈，表面原子基本上都被氧化.考慮了表面光電子的折射

9、效應(yīng)后我們估算了各個氧化態(tài)所對應(yīng)的氧化層的厚度. 金屬半導(dǎo)體界面的研究一直都是同步輻射研究的熱點(diǎn)問題.但是對于金屬和半導(dǎo)體界面形成的初始過程的研究還不是很深入.因此本論文中我們的研究側(cè)重于利用同步輻射光電子能譜結(jié)合分子束外延(MBE)技術(shù)來研究金屬半導(dǎo)體界面的初始階段的形成以及相應(yīng)的肖特基勢壘的演化，得到了一些有意義的結(jié)果.我們利用同步輻射光電子能譜原位研究了低蒸發(fā)速率和低覆蓋度的Au/GaN(0001)界面，通過分析Ga3d的

10、強(qiáng)度衰減給出了Au的生長模式，分析了價帶譜和Au4f譜峰的能級偏移，計(jì)算了肖特基勢壘高度，同時分析了界面的化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合LAPW方法的理論計(jì)算，討論了界面Au-Ga合金的形成機(jī)理.我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明界面的化學(xué)反應(yīng)能夠在相對低的襯底溫度下進(jìn)行，而且比報(bào)道的化學(xué)反應(yīng)的溫度閾值要低.我們認(rèn)為這個現(xiàn)象起源于我們的樣品表面的處理方法，氬離子刻蝕殘留的表面損傷使得樣品表面具有很高的活性，結(jié)果超薄的金膜沉積后會和襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成Au-Ga合金.

11、 此外，我們還利用原子力顯微鏡(AFM)和同步輻射光電子能譜研究了Mn/ZnO(0001)樣品的表面形貌和界面的形成以及界面的電子結(jié)構(gòu).我們首先在氧氣氛中退火來對ZnO薄膜樣品表面進(jìn)行清潔處理，然后在超高真空中利用MBE來沉積金屬M(fèi)n.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在常溫下金屬沉積到襯底上沒有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，而且金屬薄膜表現(xiàn)出二維層狀的生長模式.但是當(dāng)我們對沉積金屬M(fèi)n后的樣品在超高真空中進(jìn)行原位退火后，界面處發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，形成了Mn的氧

12、化物，而單質(zhì)Zn原子向樣品的最表面偏析.這個結(jié)果表明經(jīng)氧氣氛中退火處理后的ZnO的氧極性面在常溫下具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，金屬M(fèi)n沉積到這個樣品表面不會與ZnO發(fā)生氧化還原反應(yīng)，可以形成非常明晰的金屬半導(dǎo)體接觸.但是高溫退火會迅速破壞這個化學(xué)穩(wěn)定，使得界面產(chǎn)生劇烈化學(xué)反應(yīng). 4.ZnO/SiC異質(zhì)結(jié)的熱氧化制備和異質(zhì)結(jié)形成過程的研究半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)和超晶格在光電子和微電子材料和器件中有著廣泛的應(yīng)用.另一方面寬禁帶半導(dǎo)體，由于其體單晶難

13、于生長，價格昂貴，常常需要在異質(zhì)襯底上外延單晶薄膜.這樣寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的研究就顯得格外重要，因此一直以來都是人們研究的一個熱點(diǎn)問題.六方結(jié)構(gòu)的SiC和ZnO具有相近的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)和晶體的對稱性等，因此在形成寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的過程中就不會引發(fā)界面處大量位錯和缺陷，從而成為外延ZnO薄膜的理想襯底材料.在論文中我們利用同步輻射光電子能譜技術(shù)原位研究了以SiC為襯底的金屬鋅膜熱氧化制備ZnO/SiC異質(zhì)結(jié)的過程，重點(diǎn)考察了初始階

14、段的金屬膜的氧化以及金屬原子與襯底的相互作用，給出了界面相互作用的微觀過程.研究結(jié)果表明，在SiC表面沉積金屬Zn的初始階段，Zn可以奪取殘留在SiC襯底表面的氧化層中的氧原子并與之結(jié)合。隨著Zn覆蓋度的增加，表面具有金屬特性。在氧氣氛中較低溫度退火后，覆蓋的Zn會被部分氧化形成ZnO，還有部分Zn會逸出表面。在較高溫度退火后，覆蓋的金屬Zn全部被氧化而生成ZnO。在氧氣氛中退火時，襯底也會隨之氧化。由此說明，在SiC表面利用金屬Zn熱