氮化鋁薄膜的光學(xué)性能-

1、第35卷第2期2006年2月光 子 學(xué) 報(bào)ACTA PH OT ON ICA SINICAVo l.35N o.2F ebr ua ry 2006 T el:029* Email:y ang uojun138收稿日期氮化鋁薄膜的光學(xué)性能顏國(guó)君1 陳光德1 邱復(fù)生1 Zhaoyan Fan 2,3(1西安交通大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系,西安710049(2美國(guó)西北大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系,伊利諾伊60208(3美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)物理系,堪薩斯66506摘 要 分別使用X 衍射儀和紫外(190nm800nm 分光光度儀,測(cè)量了用分子束外延法生長(zhǎng)在SiC(001基底面上的AIN 薄膜的X 衍射、透射譜和不同

2、溫度下的吸收譜 X 衍射表明:實(shí)驗(yàn)所用的AIN 薄膜在c -軸存在應(yīng)變和應(yīng)力,該應(yīng)變和應(yīng)力主要是由于AIN 的晶格常量與基底SiC 的晶格常量不匹配所致.透射譜表明:AIN 薄膜的禁帶寬度大約為6.2eV;而其對(duì)應(yīng)的吸收譜在6.2eV 處存在一個(gè)明顯的臺(tái)階,此臺(tái)階被認(rèn)為是AIN 薄膜中的帶邊自由激子吸收所產(chǎn)生,忽略激子的結(jié)合能(與禁帶寬度相比,則該值就對(duì)應(yīng)為AIN 的禁帶寬度.而其對(duì)應(yīng)的不同溫度下(10k293k的吸收譜的譜線的形狀和位置無(wú)明顯的變化表明:溫度對(duì)AIN 薄膜的禁帶寬度亦無(wú)明顯的影響,這主要是由于在AIN 薄膜中存在著應(yīng)力所致關(guān)鍵詞 A IN 薄膜;透射譜;吸收譜;禁帶帶寬;自由

3、激子中圖分類號(hào) O472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A0 引言AIN 具有直接帶隙結(jié)構(gòu),很寬的禁帶寬度 在先進(jìn)電子應(yīng)用方面,AIN 是所有技術(shù)陶瓷中最令人鼓舞的1:它具有高的熱導(dǎo)率、大的電阻率、低的介電常量、高的機(jī)械強(qiáng)度和與硅相近的熱膨脹系數(shù),所以被認(rèn)為是電子器件中理想的基底材料.而其高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、寬的直接帶隙結(jié)構(gòu)和超快的聲速特性,使它特別適用于紫外頻譜區(qū)域的光學(xué)器件和表面聲-波器件中.它與GaN 、InN 組成的三元系,其禁帶寬度從1.9eV 到6.2eV 之間可調(diào),使其適用于做從黃光到紫外光的發(fā)光器件和探測(cè)器件中2,3,因此對(duì)其光學(xué)性質(zhì)的研究成為近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn) 目前對(duì)AIN 在理論上已

4、有一些研究46,但是關(guān)于其光學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是不多716本文分別測(cè)量了用分子束外延法(簡(jiǎn)稱MBE生長(zhǎng)在SiC(001基底面上的AIN 薄膜的X 射線衍射、透射譜和不同溫度下的吸收譜,測(cè)量結(jié)果表明:對(duì)本實(shí)驗(yàn)所用的樣品,在樣品內(nèi)存在有較大的內(nèi)應(yīng)變,其直接禁帶寬度約為6.2eV.而溫度對(duì)吸收譜線的形狀和位置無(wú)明顯的影響,這是由于實(shí)驗(yàn)所用的AIN 薄膜中存在的內(nèi)應(yīng)變所致1 實(shí)驗(yàn)及討論實(shí)驗(yàn)中所用的AIN 薄膜在一個(gè)定制的M BE 室內(nèi)合成,M BE 室由一個(gè)1500l/sec 的低溫泵進(jìn)行泵浦 活性氮AsTEX Co mpact ECR 供給 用法拉第杯來(lái)控制總的離子流量 99.9999%的純鋁用努森

5、擴(kuò)散室進(jìn)行蒸發(fā) 鋁的沉積速率用一個(gè)緊靠近基底的水冷石英晶體監(jiān)控器進(jìn)行測(cè)量 質(zhì)量流控制器用來(lái)調(diào)整99.999%的氮?dú)獾牧髁?面積為1cm 2的SiC(001基底的背面涂敷一層碳膜以確保1.54 m 的光學(xué)高溫計(jì)測(cè)溫準(zhǔn)確 SiC 基底在裝入MBE 室之前,必須進(jìn)行去脂、刻蝕、清洗,然后裝入MBE 室 M BE 室緩慢抽氣后,SiC 基底在1075 熱清洗15min,當(dāng)反射高能電子衍射的花樣為條紋花樣時(shí),表明基底表面是干凈且光滑的 然后點(diǎn)燃氮等離子體,關(guān)閉努森室的窗口,打開(kāi)氮源開(kāi)始薄膜的生長(zhǎng) 在生長(zhǎng)薄膜時(shí),下列參量維持為常量:氮?dú)饬髁繛?.8sccm,沉積室內(nèi)的壓力為2.666 10-3Pa,ECR

6、 微波功率為60W,磁鐵電流為17A 在此條件下,由法拉第杯測(cè)量出的氮離子流量為4 1014cm -2s -1 最終沉積得到的樣品的膜厚為200nm生長(zhǎng)在SiC(001基底面上AIN 薄膜的X 射線的衍射圖如圖1 X 衍射的靶材為Cu 29,其X 射線的圖1 X 衍射圖F ig.1 X -ray diffractio n 光 子 學(xué) 報(bào)35卷波長(zhǎng)為0.1542nm 由圖1可以看出A IN (001晶面衍射峰處的2 等于35.98 由布喇格方程2d sin =n 把n =1, =17.99 , =0.1542nm 代入上式可得:d =0.2496nm,而AIN(001晶面的晶面間距國(guó)際公認(rèn)的d

7、=0.2491nm,由此可得在AIN 薄膜的【001】晶面上的應(yīng)變?yōu)? ,該應(yīng)變近似為對(duì)應(yīng)的AIN 薄膜【100】和【010】晶向與SiC 【100】和【010】晶向的晶格常量不匹配所致圖2為用紫外分光光度儀UV -2501PC 在室溫測(cè)量的AIN 的透射譜 由圖2中可知,AIN 薄膜的禁帶邊在200nm 附近,即對(duì)應(yīng)的AIN 的禁帶寬度為6.2eV 這與H an -Yo ng Jo o 11、Reg ina Y.Krupitskaya 12等人的結(jié)果一致;而在280nm 左右的肘肩為與碳相關(guān)的缺陷所引起10 圖2 SiC 基底上的A IN 薄膜的透射譜F ig.2 T ransimmissi

8、o n spect rum of A IN film圖3為AIN 薄膜從10k 到室溫(293k等不同溫度下的吸收譜,其中縱坐標(biāo)定義為:log (I 0/I 1,其中I 0、I 1分別對(duì)應(yīng)為入射光和透射光的強(qiáng)度 由圖3可知:吸收譜曲線大約在200nm 和240nm 處出現(xiàn)兩個(gè)明顯的凸肩,而且隨著波長(zhǎng)的減少,吸收增大;隨著溫度的變化,吸收曲線無(wú)明顯的變化 在240nm 處的凸肩為低溫裝置樣品室的窗口吸收所產(chǎn)生,由于該窗口與外界大氣相通,溫度基本保持不變,故隨著樣品室的溫度降低,該凸肩的形狀和位置無(wú)明顯變化 200nm 處的吸收曲線的凸肩與H.Yam ashita 8等人報(bào)道的結(jié)果相一致 該吸收曲

9、線的凸肩起始大約在210nm 處,在200nm 處呈現(xiàn)凸肩結(jié)構(gòu) 凸肩起始位置大約在210nm 處(對(duì)應(yīng)的能量大小為5.9eV與XiaoTang10等人報(bào)道的5.94eV非常接近 在吸收譜中,我們可以看到:即使是在10k 的情況下,在200nm 處的凸肩存在一個(gè)較寬的寬度,所以不能由吸收譜曲線精確確定AIN 的直接間隙帶寬 然而參照GaN 在直接間隙帶邊的吸收譜曲線17,18,可以把AIN 在200nm 處及其凸肩吸收理解為由帶間吸收和直接間隙帶邊處的自由激子吸收所產(chǎn)生,而AIN 薄膜中存在的殘余應(yīng)力引起了激子吸收峰的寬化使吸收曲線呈現(xiàn)不出單一的激子吸收峰而出現(xiàn)凸肩結(jié)構(gòu)(膜中的殘余應(yīng)力可以由膜的

10、X -衍射看出 當(dāng)把200nm 處的凸肩結(jié)構(gòu)理解為由帶邊自由激子吸收所引起時(shí),激子的結(jié)合能一般比較小8,這樣如果忽略激子的結(jié)合能,就可以把200nm 理解為AIN 的直接間隙帶寬,對(duì)應(yīng)的能量為6.2eV 由自由激子吸收的溫度特性,在低溫時(shí),帶邊自由激子的吸收譜曲線將變得更加明顯,且位置向短波長(zhǎng)方向移動(dòng) 而由圖3對(duì)應(yīng)不同溫度下的吸收曲線,可以明顯看出:在10k 到293k 的溫度范圍內(nèi),不同溫度下的AIN 的吸收曲線在200nm 處的凸肩形狀和位置都無(wú)明顯的變化,這是由于實(shí)驗(yàn)的A IN 樣品中存在有殘余內(nèi)應(yīng)變,這可以從AIN 薄膜的X -衍射圖看出 在吸收譜中,與碳相關(guān)的缺陷引起的吸收沒(méi)有觀察到

11、圖3 AI N 薄膜在不同溫度下的吸收Fig.3 A bso rptio n spectrum of A IN at differenttemperature2 結(jié)論本文對(duì)用MBE 法沉積在SiC(001面上的AIN 薄膜進(jìn)行了X -衍射、透射譜和不同溫度下的吸收譜的測(cè)量和分析,測(cè)量和分析結(jié)果表明:用M BE 法沉積在SiC(001面的A IN 薄膜內(nèi)存在一定的殘余應(yīng)力和應(yīng)變,該殘余應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)锳IN 薄膜晶面和相應(yīng)的基底晶面上的晶格常量不匹配所致;其直接間隙帶寬約為6.2eV,且隨著溫度的變化,該間隙帶寬基本保持不變 參考文獻(xiàn)1 Calka A ,N iko lov J I.Dir ect

12、synthesis o f AIN and A -lA IN composites by ro om temper ature magneto ball milling:the effect of milling condition o n format ion o f nano structures.N anostr uctur e M ater ials ,1995,6(1-4:4094122K awashima T ,Y oshikaw a H,A dachi S,et al.Opticalpro per ties of hexag onal G aN.J A p p l P hy s

13、,1997,82(7:352835353 范隆,郝躍,馮倩,等.SiC/A IN 上外延G aN 薄膜的黃帶發(fā)光與晶體缺陷的關(guān)系.光子學(xué)報(bào),2003,32(8:9772222期顏國(guó)君等 氮化鋁薄膜的光學(xué)性能980F an L ,Hao Y,F en Q ,et al.A cta Photonica Sinica ,2003,32(8:9779804 K obayashi,Sankey O F,V olz S M ,et al.Semiempir icaltight -binding band structures o f w urtzite semiconducto rs:A IN ,CdS,

14、CdSe,ZnS,and ZnO.Phy s R ev B ,1983,28(2:9359455 Ching W Y ,Har mon B N.Electro nic st ruct ur e of A IN.P hy s Rev B ,1986,34(8:530553086Chr istensen N E,G or czyca I.Optical and st ructur alpro per ties o f III -V nit rides under pressure.Phy s Rev B ,1994,50(7:439744157 G uo Q X,Nishio M ,O gaw a

15、 H,et al.T emper atur e effecto n the electr onic structur e of AIN.Phy s Rev B ,2001,64(11:1131051131078Y amashita H ,Fukui K ,M isaw a S,et al.O pt icalpro per ties of A IN epitax ia l thin films in t he vacuum ult raviolet reg ion.J A p p l P hy s ,1979,50(2:8968989G autier M ,Duraud J P,G ressus

16、 C L e.Elect ronicstr ucture of an AI N film produced by ion implantation studied by elect ron spectro sco py.J A p p l Phys ,1987,61(2:57458010 T ang X,Ho ssain F ,W ang cho tig ul K ,et al.N ear band -edg e t ransitio n in aluminum nit ride thin films g row n bymet al o rg anic chemical vapor depo

17、sit ion.A p p l P hy s L ett ,1998,72(12:1501150311 Jo o H Y ,K im H J.Spectro photo metric ananly sis o faluminum nitr ide thin film.J V ac Sci T echno A ,1992,17(3:86287012 K r upitskaya R Y,Auner G W.O ptical characterizationof AI N films g row n by plasma source molecular beam epitax y.J A p p l

18、 Phy s ,1998,84(5:2861286513 Guo Q X,N ishio M ,O gaw a H.Optical pro per ties o faluminum nitr ide.Phy s Rev B ,1997,55(24:159871598814 O numa T ,Chichbu S F ,Sota T ,et al.Ex cito n spectr a o fan A IN epitax ial film o n (0001sapphire substr ate g row n by low -pressur e metalo rg anic v apo r ph

19、ase epitax y.A p p l P hy s Lett ,2002,81(4:65265415 K uo kst is E,Zhang J,F areed Q,et al.N ea r -band -edg epho tolum inescence o f w urtzite -ty pe AI N.A p p l Phy s L ett ,2002,81(15:2755275716 N am K B,Li J,Nakarm i M L ,et al.D eep ultrav ioletpicosecond time -reso lved photo luminescence stu

20、dies o f A IN epilay ers.A p p l P hy s L ett ,2003,82(11:1694169617K o sicki B B,Do well R J,C >Burg iel J.Opticalabso rptio n and vacuum -ultrav iolet reflect ance of G aN thin films.Phy s Rev Lett ,1970,24(25:1421142318 Ding le R,Sell D D,Sto kw ski S F ,et al.A bso rptio n,Reflectance,and lum

21、inescence of G aN sing le cr ystals.Phy s R ev B ,1971,3(2:497500The Optical Properties of AIN FilmYan Guojun 1,Chen Guang de 1,Qiu Fusheng 1,Zhao yan Fan2,31A p p lied p hy s ic dep ar tment,X i an J iaotong Univer sity ,X i an 7100492D ep ar tment of Electr ical Comp uter Engineer ing ,N or thw es

22、ter n Univer sity ,Ev anston,lllinois 60208,US A ,3D ep ar tment o f Phy sics ,K ans as State Univer sity ,M anhattan,K ans as 66506,USAReceived date:20041115Abstract An X -diffraction,a transm ittance spectrum and absorption spectrums at different temperatur es of an AIN film deposited on a (001SiC

23、 substrate by M BE w ere m easured o n a X -diffr actometer and an UV spectrophoto meter (190nm 800nmrespectiv ely.T he X -diffraction spectrum show s that:there are strains in the c -axial o rientation o f the AIN,these sstrains ar e caused by the dism atching of cry stal lattice constant of the AI

24、N and the SiC substr ate,and these stains w ill cause the str esses in the AIN film;the tr ansm itr tance spectrum o f the AIN show s that:the dir ect -band -gap of the AIN is abo ut 6.2eV;and obvious "knees "or a "shoulders "structure ar ound 6.2eV ex isting in the absor ption spectrum s are consider ed to the caused by the free excitonic absorptio ns i