离子轰击条件下六方氮化硼薄膜化学气相生长行为的研究

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六方氮化硼(hBN)是重要的宽禁带半导体材料,禁带宽度>6eV。由于六方氮化硼具有宽禁带、耐高温、热导率高、热膨胀系数小以及化学稳定性高等优势,其在高温、高频、大功率电子及光电器件方面具有巨大的应用潜力。目前六方氮化硼薄膜的研究并未得到足够的重视,存在众多的基本问题需要解决。  本文通过对基材施加负偏压研究了离子轰击在六方氮化硼薄膜化学气相合成中的影响规律。在负偏压条件下,通过改变气体组分、微波功率、工作气压、沉积时间等参数对hBN薄膜的生长规律进行了系统研究。采用微波等离子体化学气相沉积方法以及He-N2-H2-BF3的混合气体系统在(100)取向的Si片上沉积了hBN薄膜。用XRD、SEM、TEM和Raman等手段对沉积薄膜进行了表征,根据测试结果系统研究了各沉积参数对hBN薄膜的表面形貌、结晶度及晶体取向等方面的影响规律。结果表明:  1)利用所选工艺在Si基片上成功合成了hBN薄膜,其厚度达到1.5μm。初步揭示了离子轰击条件下hBN薄膜的化学气相生长行为;  2)在本反应系统和设备系统条件下制备了一种具有新型结构特征的hBN薄膜,这种结构是由六方氮化硼的纳米片层组成的,片层的厚度为20-25nm,长度分布不均,在100-500nm范围内。通过施加偏压实现了六方片层的定向生长;  3)反应气体中BF3与H2的相对含量对hBN薄膜取向生长的影响很大,H2相对含量的增加有利于促进hBN薄膜的定向生长。其原因可能是由于H2含量的增加提高了等离子体中正离子的浓度,从而提高了离子轰击的强度。  4)微波功率对hBN薄膜的生长有一定的影响。随着微波功率的增加hBN薄膜的结晶度整体上表现为提高的趋势。  5)偏压或离子轰击对取向有重要影响,无偏压或低偏压时六方相面趋向于平行与基材表面生长,没有明显的纳米片层形成;在高偏压下纳米片层垂直于基材表面生长。这种定向可能是通过应力诱导实现的,与已有的实验结果和理论模型一致。  6)随着生长时间的延长hBN薄膜的生长速率增加。这可能与形核速率缓慢有关。
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