Al-C-N非晶薄膜结构及导电性研究

2010-05-28 罗庆洪 北京科技大学材料物理与化学系

  为了揭示Al-C-N 非晶薄膜的结构、导电性以及它们之间的关系,本文采用非平衡磁控溅射沉积技术在Si (100) 基体上沉积得到了不同Al 含量的Al-C-N 薄膜。使用X射线光电子能谱仪、X射线衍射和高分辨透射电镜研究了所制备薄膜的相组成和微观结构。采用四引线法测定了薄膜电阻率- 温度关系和霍尔电阻率2磁场关系。实验结果表明,所制备薄膜为非晶结构,结构致密,没有明显的缺陷,薄膜中主要的化学键为C-N ,C-C 和Al-N 键。薄膜的成分对其导电性能有着明显的影响,当Al 含量较低时,Al-C-N 薄膜为p 型半导体;当Al 含量较高时薄膜转变为绝缘体。

  由于β-C3N4 具有优越的晶体结构,硬度预期可超过金刚石,因此在近二十年来受到了相当的关注。另一方面,N 加入碳膜提高了石墨化温度,还具有半导体或高阻特性 , 因此碳氮(CNx) 薄膜近年来也逐步得到了人们的重视。同时,AlN 薄膜材料具有大禁带宽度、高热传导率系数、较高硬度、良好的化学稳定性,以及在半导体、光电和压电性能方面的独特性质,在光电子器件和微电子器件上具有不可估量的应用潜力。

  Al-C-N 三元薄膜有可能结合CN 和AlN 薄膜的优点,在保持高硬度、高热传导性和良好化学稳定性的同时,可通过控制薄膜中的Al 含量实现Al-C-N三元薄膜带隙宽度连续可调。一般认为,Al-C-N 薄膜主要含有C-N ,Al-C ,Al-N 等键,有较好的热稳定性(大于600 ℃) ,与Al 掺杂类金刚石薄膜有很大的区别 。虽然近年来Al2C2N 三元薄膜得到了一定的研究,但其成分、结构与电子学等特性关系的研究亟待进行。

  反应磁控溅射法由于具有沉积速率高和可控参数多等优点已成为当前制备多组元薄膜最主要的方法。本实验结合反应磁控溅射高速率和中频溅射高效率的优点,通过改变溅射时铝靶和碳靶电流,大范围地调制Al 和C 的含量,在单晶Si (100) 基体上制备出具有不同Al 和C 含量的单层Al-C-N 薄膜样品。研究C 和Al 的含量对Al-C-N 薄膜结构和电学性能方面的影响及其规律,以期获得Al-C-N 薄膜导电特性与结构之间的关系。

3、结论

  采用四靶中频非平衡磁控溅射沉积工艺,通过调节铝靶和碳靶的溅射电流在Si (100) 基体上制备得到不同Al 含量的Al-C-N 薄膜。结果显示:

  (1) 所制备薄膜为非晶结构,结构致密,没有明显的缺陷,薄膜中主要的化学键为C —N ,C —C 和Al —N 键。

  (2) 薄膜的成分对其导电性能有着明显的影响,当Al 含量较低时,Al-C-N 薄膜为p 型半导体;当Al含量较高时薄膜转变为绝缘体。

  (3)Al3C84N13 ,Al7C79N14 ,Al13C71N16和Al19C61N204种薄膜的带隙值大约分别为1.41 , 2.33 , 6.75 和16.6 eV。300K温度时,随着Al 含量的增加,霍尔系数增大。Al3C84N13样品在低温时,霍尔系数几乎不变,当温度达到280 K后霍尔系数明显的增大。