NSRL表面物理站的調(diào)試及寬禁帶半導體的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驗技術(shù).由于這種技術(shù)能夠?qū)悠返谋砻婧徒缑孢M行無損傷的探測，而且能夠在超高真空的環(huán)境下進行原位分析，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體材料具有禁帶寬度大，化學穩(wěn)定性好，導熱性能強等優(yōu)點，被認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，而且在半導體器件中也存在實際的應(yīng)用價值，因此一直以來都是半導體材料的研究熱點. 本論文的工作一方面是對國家同步輻射實驗室的表面物理實驗站進行了調(diào)試，并利用這個實驗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，金屬半導體界面以及半導體異質(zhì)結(jié)的

3、形成進行了系統(tǒng)的研究.主要的研究工作及結(jié)果如下： 1.表面物理實驗站的調(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.在光束線和實驗站對接之后，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定了光束線高能部分的光子能量，利用Au的Fermi邊標定其低能部分，并估算了分辨率，

4、其結(jié)果與氣體電離室標定的結(jié)果一致。最后對實驗站能量分析器進行準直并首次在這個新建的實驗站上用Cu單晶樣品進行了同步輻射角分辨光電子能譜實驗。實驗結(jié)果與理論計算和其他文獻報道的結(jié)果吻合.我們的調(diào)試結(jié)果顯示在我們設(shè)計的能量范圍內(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的費米邊寬度為150meV.這表明整個系統(tǒng)的性能基本達到設(shè)計指標，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驗需要.我們的調(diào)試結(jié)果為用戶提供了實驗站運行的一些參數(shù)，為他們提供了同步輻射光電子能譜實驗必要的技術(shù)和條件. 2.寬禁帶半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)研究在調(diào)試好的表面物理實驗站上，我們進行了6H-SiC和六方ZnO單晶薄膜樣品的角分辨光電子能譜實驗，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)果我們計算得到了6H-SiC沿ΓA方向的能帶結(jié)構(gòu)，理論和實驗比較符合.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，實驗結(jié)果與基于LAPW方法的理論計算進行了比較.通過分析，我們認為，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.寬禁帶半導體的表面和金屬半導體界面的研究我們利用化學腐蝕加上循環(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. 金屬半導體界面的研究一直都是同步輻射研究的熱點問題.但是對于金屬和半導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，計算了肖特基勢壘高度，同時分析了界面的化學反應(yīng)，結(jié)合LAPW方法的理論計算，討論了界面Au-Ga合金的形成機理.我們的實驗結(jié)果表明界面的化學反應(yīng)能夠在相對低的襯底溫度下進行，而且比報道的化學反應(yīng)的溫度閾值要低.我們認為這個現(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薄膜樣品表面進行清潔處理，然后在超高真空中利用MBE來沉積金屬Mn.實驗結(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.但是當我們對沉積金屬Mn后的樣品在超高真空中進行原位退火后，界面處發(fā)生劇烈的化學反應(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穩(wěn)定性，金屬Mn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體接觸.但是高溫退火會迅速破壞這個化學穩(wěn)定，使得界面產(chǎn)生劇烈化學反應(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