寬帶隙立方氮化硼薄膜的制備與摻雜研究.pdf

1、立方氮化硼(Cubic boron nitride,cBN)是具有優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)的超硬材料和寬帶隙半導(dǎo)體材料。它的硬度和熱導(dǎo)率僅次于金剛石,高溫抗氧化能力強(qiáng),而且對(duì)鐵族金屬有良好的化學(xué)惰性,所以cBN是優(yōu)良的刀具、磨具材料,高溫高壓方法生產(chǎn)的cBN單晶顆粒已經(jīng)在機(jī)加工行業(yè)得到重要應(yīng)用。立方氮化硼更誘人的應(yīng)用潛力來(lái)自半導(dǎo)體屬性。它具有最寬的禁帶寬度(Eg=6.3±0.2eV),可以實(shí)現(xiàn)p型和n型摻雜,以及與金剛石相近的機(jī)械性能,這些對(duì)于

2、制造高溫、大功率、抗輻射和用于惡劣環(huán)境工作的電力電子器件及短波長(zhǎng)光發(fā)射及探測(cè)極有意義,立方氮化硼因此格外引入注目。 由于高溫高壓方法只能制備出尺寸微小的cBN晶粒,而在制作刀具涂層以及電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)器件等方面,需要用到大面積的cBN,高溫高壓還難以滿足這些需要。隨著薄膜科學(xué)與技術(shù)迅速發(fā)展,人們對(duì)低成本制備大面積cBN薄膜產(chǎn)生了極大興趣,紛紛展開(kāi)相關(guān)研究,以充分發(fā)揮cBN的優(yōu)異性能。本文的工作從這一背景出發(fā),包括cBN薄膜制備和

3、摻雜兩大部分,獲得了外延生長(zhǎng)的高質(zhì)量cBN薄膜,并實(shí)現(xiàn)了薄膜的p型和n型摻雜。 薄膜制備采用了三種系統(tǒng)：射頻濺射系統(tǒng)(RF sputtering),射頻磁控濺射系統(tǒng)(RF-MS)和微波電子回旋共振化學(xué)氣相沉積(ECR-CVD)系統(tǒng)。研究了射頻濺射系統(tǒng)制備cBN薄膜時(shí),襯底偏壓和襯底溫度的影響。確定了立方相形成閾值,分別是-150V和300℃。在最優(yōu)的偏壓(-210V)和襯底溫度(500℃)下,制備出立方相含量最高為76％的cBN

4、薄膜。另外,采用射頻濺射系統(tǒng)研究了兩步法沉積cBN薄膜。結(jié)果顯示,兩步法和一步法得到的薄膜中立方相含量相近,但兩步法制備的薄膜內(nèi)應(yīng)力較小,粘附性較高,可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不剝落。對(duì)該射頻濺射系統(tǒng)進(jìn)行分析后,認(rèn)為它用于cBN薄膜制備存在明顯不足,如襯底溫度有限(≤500℃),極限真空有限(～10-4 Pa/10-6 Torr)。射頻匹配網(wǎng)絡(luò)和真空系統(tǒng)不夠穩(wěn)定。這些問(wèn)題影響了薄膜質(zhì)量的進(jìn)一步提高,制備重復(fù)性也受到影響。 射頻磁控濺射系統(tǒng)和

5、ECR-CVD系統(tǒng)制備cBN薄膜表明,由于這兩種系統(tǒng)有較好的性能,可以采用更優(yōu)化的制備條件,在硅襯底上沉積了更高質(zhì)量的cBN薄膜。其中ECR-CVD結(jié)合氟化學(xué)機(jī)制更是大幅提高了cBN薄膜的質(zhì)量。氟對(duì)非立方相有選擇性刻蝕作用,使得立方相的形核和生長(zhǎng)可以在更低偏壓下進(jìn)行,因此可以提高立方相含量,并降低薄膜應(yīng)力,薄膜的結(jié)晶度和厚度可大大提高,薄膜可用Raman和XRD進(jìn)行有效表征,由此能估算出薄膜內(nèi)的晶粒尺寸。 為了進(jìn)一步提高cBN薄

6、膜質(zhì)量,采用了與cBN晶格匹配良好的金剛石薄膜做襯底,分別用RF-MS系統(tǒng)和ECR-CVD系統(tǒng)制備得到立方含量近100％的外延cBN薄膜。金剛石薄膜由微波CVD制備。高分辯透射電鏡觀測(cè)表明在金剛石襯底上生長(zhǎng)的cBN薄膜具有明顯的外延生長(zhǎng)特征。立方氮化硼直接生長(zhǎng)于金剛石上,中間沒(méi)有aBN/tBN的孕育層,cBN與金剛石襯底結(jié)合牢固,不會(huì)剝落。其中ECR-CVD系統(tǒng)又明顯優(yōu)于磁控濺射系統(tǒng)。前者制備的多晶cBN薄膜有更好的結(jié)晶度,薄膜厚度可達(dá)

7、數(shù)微米,對(duì)實(shí)現(xiàn)cBN薄膜的電學(xué)和機(jī)械應(yīng)用有重要意義。通過(guò)對(duì)高質(zhì)量cBN薄膜的表征,探討了濺射法和ECR-CVD制備cBN薄膜的機(jī)理。對(duì)磁控濺射系統(tǒng)制備的cBN薄膜表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,說(shuō)明其中的立方相是在表面以下成核、生長(zhǎng)的,符合亞注入模型的生長(zhǎng)機(jī)制。ECR-CVD制備cBN薄膜是表面生長(zhǎng),原因是在生長(zhǎng)過(guò)程中有氟化學(xué)作用。后者由于可以顯著提高薄膜質(zhì)量,對(duì)應(yīng)用而言更有希望。 對(duì)cBN薄膜進(jìn)行了離子注入摻雜,以鈹(Be)和硫(S)作為

8、摻雜劑,分別獲得了cBN薄膜的p型和n型摻雜。本部分工作在國(guó)際上具有一定開(kāi)創(chuàng)性。 對(duì)射頻濺射系統(tǒng)制備的本征cBN薄膜采用Be離子注入,結(jié)合高溫?zé)嵬嘶鹛幚?使薄膜電阻率下降6個(gè)數(shù)量級(jí)?；魻栃?yīng)測(cè)試表明薄膜呈p型導(dǎo)電,遷移率為14～28 cm2/V·s,載流子濃度1019～1020 cm-3·在n型硅片上制備cBN薄膜,用Be離子注入進(jìn)行p型摻雜,得到了p-BN/n-Si異質(zhì)結(jié)。該異質(zhì)結(jié)有明顯的整流特性,整流比約為200。由于薄膜內(nèi)

9、存在淺能級(jí)陷阱,表面Ⅰ-Ⅴ測(cè)試反映有空間電荷限制電流存在。異質(zhì)結(jié)正向特性擬合方程與Anderson異質(zhì)結(jié)模型和理想二極管正向特性近似,它們的差異說(shuō)明該異質(zhì)結(jié)的傳輸機(jī)制不是擴(kuò)散機(jī)制。 對(duì)RF-MS系統(tǒng)制備的納米cBN薄膜和ECR-CVD系統(tǒng)制備的多晶cBN薄膜進(jìn)行Be和S離子注入,分別實(shí)現(xiàn)了p型和n型摻雜?；魻栃?yīng)測(cè)試驗(yàn)證了導(dǎo)電類(lèi)型,并獲得了遷移率(Be:3～31.2cm2/V·s;S:384cm2/V·s)、載流子濃度(1017

10、～1018cm-3)、電阻率等電學(xué)特性參數(shù)。對(duì)摻雜的薄膜進(jìn)行了變溫電阻測(cè)量,計(jì)算得到注入離子的激活能。鈹注入的多晶cBN薄膜的遷移率(3cm2/V·s)及離子的激活能(0.2eV)與Be摻雜的單晶cBN(2cm2/V·s和0.23eV)接近,其激活率(4％)與硼注入的多晶金剛石薄膜(1％)接近。注入納米cBN薄膜中的Be離子激活能(0.27eV)略大于注入多晶cBN薄膜的Be離子(0.2eV),這與納米cBN薄膜中有更多的晶界和缺陷有關(guān)