反应磁控溅射制备AlN薄膜及其发光性能研究

论文摘要

氮化铝（AlN）薄膜优异的物理化学性能使得它在电子、光电子、声表面波等领域有着广阔的应用前景,因而受到了人们的广泛关注。本论文的目标是应用反应磁控溅射法制备AlN薄膜,从实验和理论上分析溅射AlN薄膜过程的特点,以及制备条件对其性能的影响,并且还研究了掺杂铜（Cu）或锰（Mn）AlN薄膜的光致发光性能。AlN薄膜的性能在很大程度上是由制备条件控制的,例如放电电流、氮气分压、靶基距、总气压等实验参数会对薄膜性能产生很大的影响,并且这些参数经常是相互关联的,对于该物理化学过程的理解目前还是不充分的。另外,大部分制备的多晶AlN薄膜都是在高温下实现的,这样在大多数情况下与现代半导体技术是不相称的。因此,低温制备非晶AlN薄膜成为一种比较合理的选择。本文采用反应磁控溅射方法在玻璃衬底上制备了AlN薄膜。利用X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、能量射散X射线分析（EDX）等分析方法对AlN薄膜进行了表征。结果表明制备的薄膜主要成分为Al和N元素,薄膜表面光滑平整,XRD衍射没有衍射峰出现,为非晶结构。应用分光光度计测得了不同实验条件下的透射光谱。根据透射光谱计算得到折射率、消光系数等光学常数,并计算出薄膜厚度,系统地研究实验条件对AlN薄膜光学性能的影响。结果表明,氮浓度和靶电流对薄膜光学性能影响显著,并且这两个参数都存在一最佳值,使薄膜光学性能最好。工作气压对光学性能的影响次之,随着工作气压升高,薄膜的光学性能变差。反应气体流量和薄膜组成、放电电压、沉积速率等之间的关系曲线会出现迟滞现象。迟滞是反应溅射的一个经典问题,它的出现使过程不稳定并且降低了沉积速率。为了能够预测反应溅射AlN过程,优化制备条件,本文在经典的Berg模型基础上,考虑过程的放电特性,包含了二次电子发射系数的变化,建立了一修正模型,模型包括了原模型所没有的电压参数。该模型的计算结果与实测值相符。利用该模型系统研究了溅射参数对过程的影响,并利用该模型探讨怎样消除迟滞现象。为了对该过程有更深入的理解,本文还建立了反应溅射AlN的动态模型,来研究外部参数变化时溅射过程随时间的变化特性。由于AlN的电阻率很高,反应溅射时靶材表面生成的AlN层会造成电荷积累而最终导致弧光出现。弧光会严重影响薄膜的质量,使用中频脉冲电源能有效的解决弧光问题。利用该动态模型可以精确的模拟使用中频电源时制备AlN的动态特性,找到消除弧光的最佳工艺条件。硫化物或者包含硫离子的硫酸盐是当前主要的薄膜电致发光（TFEL）的发光体。但是,’由于它们存在化学不稳定以及对潮湿敏感等内在的缺点给器件制作带来了很大的困难,并且硫基TFEL器件在大气中工作时会出现在很短时间内性能下降的情况,所以近年来一直在探索和研究其他的基质材料。AlN薄膜的禁带宽度为6.2eV,使它在薄膜光发射器件方面具有很大的应用前景。因此,目前已经研究了多种掺杂稀土和过渡金属的AlN薄膜的发光性质。大部分方法是在600℃高温下来实现多晶AlN薄膜制备或者经过约1000℃的退火处理。而发光薄膜器件的衬底一般为玻璃,玻璃的软化温度为600℃,因此低温制备AlN发光薄膜是该薄膜能否用于平板显示的一个关键问题。本文采用反应磁控溅射共溅射法制备了掺杂金属Mn和Cu的AlN薄膜。制备的薄膜经XRD检测表明为非晶结构。制备的薄膜在325nm激光激发下得到其光致发光光谱。AlN:Mn薄膜的发光是以650nm为中心的窄带发射（半高全宽FWHM-20nm）。理论分析表明AlN:Mn薄膜的桔红色发光现象是Mn中心在AlN中的光谱特征。AlN:Cu薄膜的发光是以430nm为中心的宽带发射。Cu+离子的电子结构为3d10,其发光可能是3d94s→3d10跃迁而产生的。结果表明,掺杂Cu、Mn的AlN薄膜是有可能用来制作TFEL器件发光层的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 AlN薄膜概述
• 1.1.1 AlN结构与特性
• 1.1.2 AlN薄膜的制备方法
• 1.1.3 AlN薄膜的应用
• 1.2 反应磁控溅射原理
• 1.2.1 溅射
• 1.2.2 磁控溅射
• 1.2.3 反应溅射
• 1.2.4 中频溅射
• 1.2.5 反应溅射制备AlN薄膜存在问题
• 1.3 薄膜发光
• 1.3.1 发光物理过程
• 1.3.2 薄膜电致发光
• 1.3.3 薄膜电致发光存在问题
• 1.4 本论文的研究内容及安排
• 第2章 反应磁控溅射制备AlN薄膜工艺研究
• 2.1 溅射装置
• 2.2 实验操作步骤及制备条件
• 2.2.1 基片的清洗
• 2.2.2 薄膜沉积
• 2.3 薄膜的形成过程
• 2.3.1 靶材的溅射
• 2.3.2 溅射粒子的迁移过程
• 2.3.3 溅射粒子的成膜过程
• 2.4 AlN薄膜结构分析
• 2.4.1 X射线分析方法
• 2.4.2 AlN薄膜X射线衍射谱
• 2.5 AlN薄膜形貌分析
• 2.5.1 表面平整度分析AFM
• 2.5.2 表面形貌图
• 2.6 AlN薄膜的组成
• 2.7 AlN薄膜的光学性质
• 2.7.1 基本理论
• 2.7.2 制备条件对光学性能的影响
• 2.8 本章小节
• 第3章 反应磁控溅射制备AlN薄膜的稳态特性
• 3.1 数学模型
• 3.1.1 模型假设
• 3.1.2 模型方程
• 3.2 实验与计算方法
• 3.3 实验和模拟结果比较
• 3.4 外部参数对过程的影响
• 3.4.1 电流恒定,流量变化
• 3.4.2 流量恒定,电压变化
• 3.4.3 流量恒定,电流变化
• 3.4.4 流量恒定,功率变化
• 3.5 迟滞现象消除方法的探讨
• 3.5.1 控制反应气体分压
• 3.5.2 增大真空泵抽速
• 3.5.3 减小靶面积
• 3.5.4 增加靶基距
• 3.6 本章小节
• 第4章 反应磁控溅射制备AlN薄膜的动态特性
• 4.1 模型的建立
• 4.2 动态特性及实验验证
• 4.3 外部参数对动态过程的影响
• 4.4 消除弧光的条件
• 4.5 本章小节
• 第5章 Mn或Cu掺杂AlN薄膜制备及其发光特性
• 5.1 AlN薄膜发光性能研究进展
• 5.1.1 红色
• 5.1.2 绿色
• 5.1.3 蓝色
• 5.1.4 白色
• 5.2 Mn掺杂AlN薄膜制备及其发光特性
• 5.2.1 Mn掺杂AlN薄膜的制备
• 5.2.2 Mn掺杂AlN薄膜的组成和结构
• 5.2.3 Mn掺杂AlN薄膜的发光特性
• 5.3 Cu掺杂AlN薄膜制备及其发光特性
• 5.3.1 Cu掺杂AlN薄膜的制备
• 5.3.2 Cu掺杂AlN薄膜的结构和组成
• 5.3.3 Cu掺杂AlN薄膜的发光特性
• 5.4 本章小节
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表论文情况
• 个人简历