金刚石基片上压电薄膜的制备及其生长特性研究

论文摘要

金刚石膜化学气相沉积（CVD）技术发展日趋成熟,CVD方法得到的金刚石膜与天然金刚石膜性能相差无几,且制备成本相对较低,因此具有广阔的应用和商业前景。本文以CVD方法制备的自持金刚石厚膜为基片,沉积压电薄膜并系统研究了压电薄膜的各项性能。压电薄膜/自持金刚石厚膜结构可以用于制备声表面波（SAW）器件,此结构既利用了金刚石最高表面声速的性能,又可以充分利用金刚石最高热导率的特性,从而使器件具有比常规器件更优异的性能。在具体的沉积工艺中,选择较平整的金刚石成核面作为功能薄膜的沉积表面,可以大大降低金刚石基板机械抛光的困难。通过这种简单的工艺方法,在自持金刚石厚膜（FTDF）的成核面上制备了性能良好、达到应用要求的压电薄膜,为进一步的器件制备和应用打下了良好的基础。本文采用三种方法在自持金刚石厚膜上制备了ZnO和GaN薄膜,主要通过“如何在这种特殊的衬底上得到性能良好的压电薄膜这一主题”开展了系统的研究工作。工作内容主要分三个部分,结论如下:1、利用超高真空磁控溅射系统在自持金刚石厚膜上沉积ZnO薄膜,研究发现:（1）随着基片温度的升高,FTDF上ZnO薄膜的晶体质量有所提高,这与硅片上沉积的ZnO薄膜的变化趋势稍有差异。FTDF和硅片上表面形貌的变化趋势相一致,也都得到了较高的基片温度下,样品紫外发光较强的结论。因此说明基片温度对FTDF上ZnO薄膜的性能有决定性的影响,FTDF衬底的影响较小。（2）其他工艺条件,比如:射频功率、工作气压和氧气流量变化对FTDF上ZnO薄膜的结晶性能、表面形貌和发光性能的影响不大,ZnO薄膜性能的差异主要与基片本身所含缺陷和晶界相对较多密不可分。（3）经检测FTDF上沉积的所有样品均为高阻,符合SAW器件的要求。（4）FTDF上沉积ZnO薄膜的多取向成核机制以及表面团簇的形成机制表明FTDF基片表面对沉积ZnO薄膜的性能有重要影响。2、利用等离子体增强MOCVD系统在自持金刚石厚膜上沉积ZnO薄膜,研究发现:（1）工作气压为38 Pa、基片温度为600℃的条件下在FTDF上得到了较高c轴取向的未掺杂的ZnO薄膜。其表面岛状团簇密度一致,有很清晰的边界,没有明显的起伏,表面平整。（2）基片温度从500℃升高到700℃时,FTDF上N掺杂ZnO薄膜的结晶特性、表面形貌特性和光学特性均有所下降。这主要是由于温度升高引发的结构缺陷增多引起的,并通过低温变温光谱发现的与结构缺陷有关的激子发光峰增多的现象证实。基片温度为500℃时样品具有较为平整的表面、较高的结晶质量、较强的紫外发射、较高的电阻率、相对较高的Zn/O原子比和较高的Zn-O结构的相对含量。（3）FTDF上未掺杂ZnO薄膜合适温度区间的存在主要是化学反应和表面原子脱附共同作用的结果,FTDF上N掺杂ZnO薄膜晶粒尺寸减小则与N2O引入有一定关系。3、利用电子回旋共振MOCVD系统在自持金刚石厚膜上沉积GaN薄膜,研究表明:N2富足的气氛有利于GaN薄膜（101）方向择优生长和表面团簇的长大。不同N2流量下得到的样品表面岛状团簇均匀,平整度非常高,可以预期以此制备的SAW器件会具有较低的插入和传输损耗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 金刚石的结构、性质及应用
• 1.1.1 金刚石的晶体结构
• 1.1.2 金刚石的性质及应用
• 1.2 ZnO的结构和基本性质
• 1.2.1 晶体结构
• 1.2.2 电学性能
• 1.2.3 光学性能
• 1.3 GaN的结构和基本性质
• 1.3.1 晶体结构
• 1.3.2 电学特性
• 1.3.3 光学特性
• 1.4 压电薄膜/金刚石结构的声表面波滤波器
• 1.4.1 声表面波滤波器
• 1.4.2 压电薄膜/金刚石结构
• 1.4.3 影响声表面波滤波器性能的参数
• 1.5 薄膜的制备技术
• 1.5.1 溶胶—凝胶法
• 1.5.2 脉冲激光沉积
• 1.5.3 分子束外延
• 1.5.4 溅射法
• 1.5.5 金属有机物化学气相沉积
• 1.6 本论文的研究目的和研究内容
• 2 薄膜制备及分析方法
• 2.1 薄膜的制备方法
• 2.1.1 射频磁控溅射系统
• 2.1.1.1 影响磁控溅射沉积ZnO薄膜的主要因素
• 2.1.1.2 主要实验参数范围
• 2.1.2 等离子体增强MOCVD系统
• 2.1.2.1 影响等离子体增强MOCVD系统样品制备的主要因素
• 2.1.2.2 主要实验参数范围
• 2.1.3 电子回旋共振MOCVD系统
• 2.1.3.1 影响电子回旋共振MOCVD系统样品制备的主要因素
• 2.1.3.2 主要实验参数范围
• 2.2 ZnO和GaN薄膜的分析方法
• 2.2.1 X射线衍射谱
• 2.2.2 反射高能电子衍射谱
• 2.2.3 扫描电镜
• 2.2.4 原子力显微镜
• 2.2.5 电子显微探针分析
• 2.2.6 X射线光电子能谱
• 2.2.7 光致发光谱
• 2.2.8 霍尔效应
• 3 自持金刚石厚膜基片
• 3.1 引言
• 3.2 自持金刚石厚膜
• 3.3 自持金刚石厚膜的预处理
• 3.3.1 激光切割
• 3.3.2 手工机械抛光
• 3.3.3 化学处理
• 3.3.4 小结
• 4 射频磁控溅射法在FTDF上沉积ZnO薄膜及性能研究
• 4.1 不同基片温度下ZnO薄膜的特性分析
• 4.1.1 基片温度对ZnO薄膜结晶特性的影响
• 4.1.2 基片温度对ZnO薄膜表面形貌的影响
• 4.1.3 基片温度对ZnO薄膜光电性质的影响
• 4.1.4 小结
• 4.2 其他沉积条件下ZnO薄膜的特性分析
• 4.2.1 射频功率对ZnO薄膜生长及特性的影响
• 4.2.2 不同气压条件下ZnO的特性分析
• 2/Ar比条件下ZnO的特性分析'>4.2.3 不同O₂/Ar比条件下ZnO的特性分析
• 4.2.4 小结
• 4.3 FTDF基片上ZnO薄膜生长机制探讨
• 4.3.1 FTDF基片上ZnO的成核机制
• 4.3.2 FTDF基片上ZnO的织构与团簇生长机制
• 4.3.3 FTDF基片上ZnO生长机制的指导意义
• 4.3.4 小结
• 4.4 本章小结
• 5 等离子体增强MOCVD法在FTDF上沉积ZnO薄膜及其性能研究
• 5.1 基片温度对未掺杂ZnO薄膜的影响
• 5.1.1 基片温度对未掺杂ZnO薄膜结晶特性的影响
• 5.1.2 基片温度对未掺杂ZnO薄膜表面形貌的影响
• 5.1.3 基片温度对未掺杂ZnO薄膜发光性能的影响
• 5.1.4 小结
• 5.2 基片温度对N掺杂ZnO薄膜的影响
• 5.2.1 不同基片温度对N掺杂ZnO薄膜结晶特性的影响
• 5.2.2 基片温度对N掺杂ZnO薄膜表面形貌的影响
• 5.2.3 不同基片温度下N掺杂ZnO薄膜的室温PL谱分析
• 5.2.4 不同基片温度下N掺杂ZnO薄膜的低温PL谱分析
• 5.2.5 基片温度对N掺杂ZnO薄膜的成分和Zn-O键合的影响
• 5.2.6 基片温度对N掺杂ZnO薄膜电学性能的影响
• 5.2.7 小结
• 5.3 MOCVD法在FTDF上沉积ZnO薄膜的生长机制探讨
• 5.3.1 基片温度对未掺杂ZnO薄膜生长机制的影响
• 5.3.2 基片温度对N掺杂ZnO薄膜生长机制的影响
• 5.3.3 小结
• 5.4 本章小结
• 6 电子回旋共振MOCVD法在FTDF上沉积GaN薄膜及其性能研究
• 6.1 不同基片温度下GaN的特性分析
• 6.1.1 基片温度对GaN薄膜RHEED结果的影响
• 6.1.2 基片温度对GaN薄膜XRD结果的影响
• 6.1.3 基片温度对GaN薄膜表面形貌的影响
• 6.1.4 小结
• 6.2 不同缓冲层条件下GaN的特性分析
• 6.2.1 缓冲层条件对GaN薄膜RHEED结果的影响
• 6.2.2 缓冲层条件对GaN薄膜XRD结果的影响
• 6.2.3 缓冲层条件对GaN薄膜表面形貌的影响
• 6.2.4 小结
• 2流量下GaN的特性分析'>6.3 不同N₂流量下GaN的特性分析
• 2流量对GaN薄膜RHEED结果的影响'>6.3.1 N₂流量对GaN薄膜RHEED结果的影响
• 2流量对GaN薄膜XRD结果的影响'>6.3.2 N₂流量对GaN薄膜XRD结果的影响
• 2流量对GaN薄膜表面形貌的影响'>6.3.3 N₂流量对GaN薄膜表面形貌的影响
• 6.3.4 小结
• 6.4 本章小结
• 结论
• 尚存在的问题及展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢