摘 要：采用脉冲激光沉积技术，在Al2O3衬底上生长GaN薄膜，利用X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）研究不同沉积温度、不同沉积压强对所生长的GaN薄膜晶体结构特征的影响。研究表明，在750 ℃的沉积温度时，GaN薄膜的结晶质量较高；在20 Pa以下的沉积气压下，GaN薄膜的晶体质量随着沉积气压的升高而提高。
关键词：脉冲激光沉积系统；GaN材料；薄膜材料；沉积温度；沉积气压
中图分类号：TN40文献标识码：B
文章编号：1004373X(2008)2201203
Application of Pulsed Laser Deposition PLD System:Making GaN Thin Film
LI Xiaolan,XUE Qin,WANG Jianqiu
(Jiangxi Optic-electronic & Communication Key Lab,College of Physics ＆ Communication Electronics,Jiangxi Normal University,Nanchang,330027,China)
Abstract：By a Pulsed Laser Deposition(PLD),GaN films have grown on Al2O3 substrates.The influence of different substrate temperature and different deposition pressure on the crystallinity of GaN films are systematically studied by X-ray Diffraction(XRD),Atomic Force Microscope(AFM).It is found that the high-quality hexagonal wurtzite structures using a substrate temperature of 750 ℃,and the crystalline quality of the GaN films is improved with increasing deposition pressure to 20Pa.
Keywords：PLD system;GaN material;thin film;substrate temperature;deposition pressure
随着微电子行业的发展，对材料的要求越来越复杂，越来越高，人们开始关注材料的微观结构和宏观特性的关系，原子工程学已成为研究热点。当薄膜沉积技术达到原子级精度时，就提供了研究材料特性的一种重要方法。脉冲激光沉积技术已经成为了制作这种独特材料的重要方法［1］。
PLD（脉冲激光沉积技术）已经广泛应用于制备各种材料的晶体薄膜［2］。本文以江西省光电子与通信重点实验室利用PLD技术制备的GaN薄膜材料为例，分析沉积气压、沉积温度等工艺条件，对GaN薄膜性能的影响。
1 基本理论
GaN作为一种化合物半导体材料，具有许多硅基半导体材料所不具备的优异性能，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。它可以发射波长比红光更短的蓝光［3］，具有宽的带隙、强的原子键、高的热导率、强的抗辐照能力、化学稳定性好，是坚硬的高熔点材料，其晶体一般是六方纤锌矿结构。因此GaN在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景［4］。
脉冲激光沉积是指用激光使材料挥发，从而将材料镀在所要求的物体（衬底）上的薄膜沉积技术［5］。通常使用的是一种准分子激光，在紫外的范围内，产生强烈的脉冲（频率为0~100 Hz）光束。典型的波长是193 nm(ArF气体准分子激光)、248 nm（KrF气体准分子激光)、308 nm（XeCI气体准分子激光)等。脉冲激光沉积的物理过程是极其复杂的，它涉及高功率脉冲辐射冲击固体靶时激光与物体之间的所有物理相互作用，还包括等离子羽辉的形成，其后已溶化的物质通过等离子羽辉到达已加热的基片表面的转移，及最后膜生成的过程。
激光脉冲参数的选择和对象材料的特性均影响沉积的效果，脉冲激光沉积（PLD）一般可以分为4个阶段：激光辐射与靶的相互作用；溶化物质的动能；溶化物质在基片的沉积；薄膜在基片表面的生成［6］。
在第一阶段，激光束通过真空室的光学窗聚集在靶的表面，达到足够的高能量通量与短脉冲宽度时，靶表面一切元素会快速受热，达到蒸发温度，此时物质从靶材中分离出来，蒸发出来的物质的成分与靶材的化学计量相同，物质的瞬时溶化率取决于激光照射到靶上的功率密度。溶化机制涉及许多复杂的物理现象，如碰撞、热及电子的激发、层离和流体力学。在第二阶段，根据气体动力学定律，发射出来的物质有移向基片的倾向。激光光斑的面积与等离子的温度对积膜是否均匀有重要的影响。靶材与基片的距离支配溶化物质的角度范围。第三、四阶段是决定薄膜性质的关键，放射出的高能核素碰击基片表面，可能对基片造成各种破坏，入射的等离子流与受溅射原子流之间，建立一个碰撞区，在这个碰撞区形成后膜立即生成。这个区域正好成为凝结粒子的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高，热平衡状况便能够快速达到。由于溶化粒子流减弱，膜便能在基片表面生成。晶体膜的成核与生成依赖许多因素，如密度、能量、电离率、凝结物质的种类、温度以及基片的物理化学性特性［7］。
在沉积的过程中几个重要的参数能够控制，如真空度、腔体气氛的条件、衬底的加热过程、衬底的物质与结构、激光强度和光斑的大小、靶材的化学计量等。这些参数影响着薄膜的成长。尽管对每一种材料都存在着最佳参数，在实践中找到这种最佳参数却是很难的，因为单独调节各个参量非常繁琐，而且参量之间的关联也使条件摸索更加困难。
脉冲激光设备薄膜的优点是：
（1） 能源（激光）放在真空室外，易于调解；
（2） 使用范围宽，几乎任何能凝结的物质都能制备成靶材。同时，由于脉冲激光器的特性，薄膜的生长率可以按要求任意调节；
（3） 薄膜成分容易严格实现与靶材成分一致；
（4） 薄膜质量高，膜底和基底之间互扩散小。
脉冲激光制备薄膜也存在着一些缺点，如当激光加热靶材时，升温极快，气体急剧膨胀，小液滴掉在膜上，使膜产生缺陷［7］。
2 GaN薄膜的制备
GaN薄膜的制备［8］：
(1) 衬底：蓝宝石（Al2O3）。
用丙酮洁净处理。在沉积过程中，旋转衬底，以得到均匀的膜层。
(2) 靶材：高纯（99.999%）GaN粉压制烧结靶。
为避免靶材在同一位置被激光持续轰击，靶材在电机的带动下保持旋转。
(3) 工艺参数：
激光光源波长248 nm，激光重复频率5 Hz,脉冲能量220 mJ/pulse,靶到衬底距离4 cm，激光光束聚焦到光斑大约2 mm2，背景真空预抽到5×10-4 Pa，当衬底加温到一定温度时，充N2(99.999%),沉积气压为5~20 Pa，沉积温度为700~800 ℃,时间为2 h［10］。
(4) 实验设备
激光系统 准分子激光器（TUILASER M100KrF）。其技术参数：激光媒介KrF；波长248 nm；光斑10×20 mm；最大能量250 mJ/脉冲；脉冲宽度25 ns。
沉积系统 PLD-Ⅲ型激光溅射沉积系统。极限真空度6.67×10 Pa,系统采用机械泵和分子泵两极真空系统，真空测量使用热偶规和电离规两级真空计。样品加热温度800 ℃。使用 SR91Digital Controller(SHIMADEN Co.Ltd)温控，温度波动幅度上下2 ℃，样品到靶台距离可调范围为30~100 mm。
3 结果与讨论
图1（a）,（b）,（c）为沉积温度为750 ℃时，沉积气压在5~20 Pa范围内变化所制得的几个薄膜试样的X射线衍射图谱。由图可见，3个样品的Al2O3衍射峰（0001）基本相近，GaN膜层晶体为纤锌矿结构，说明所沉积物质与靶材一致。
由图1（a）,（b）可见，在5~10 Pa沉积气压范围内，GaN薄膜的衍射峰GaN（0002）随着气压的升高而增强。但当沉积气压继续增大到20 Pa时，GaN（0002）的衍射峰却变弱，如图1（c）所示。
由此可知，当沉积气压在20 Pa以下时，GaN薄膜层取向性逐渐增强。本试验中10 Pa时所得GaN薄膜层的X射线衍射谱图为晶格趋向一致的衍射峰。
引起上述现象的原因是氮气在沉积系统中的作用：氮气与靶材中融蚀溅射出的等离子体发生碰撞，使离子到达衬底表面时动能降低。气压低时发生的碰撞较少，这些等离子体到达衬底时就有太大的动能，导致所生长薄膜晶格位置偏移，而前面的膜层可能还没来得及调整自己在择优方向生长就被后续原子所覆盖固化，降低了所生长膜层的晶体质量。而随着沉积气压的升高，氮气与这些等离子体的碰撞增大，则等离子体到达衬底时的动能就会降低，当动能合适时，就可产生高质量的薄膜结晶，但碰撞过大也会使等离子体达到衬底表面时能量过低，而使其择优取向的能力及附着力降低，也会降低所生长膜层的晶体质量。
图2（a）,（b）,（c）分别是在700 ℃，750 ℃和800 ℃沉积温度下所生长的GaN薄膜表面形貌的原子力显微图像。
由图可知，在750 ℃时GaN薄膜生长带有一定的择优取向性，晶粒直径均匀、结晶度好，具有较好的晶体质量；在700 ℃时GaN薄膜晶体质量差，表面呈台阶状，有黑色坑点，晶体位错较多；在800 ℃时GaN薄膜晶粒粗大，晶粒直径不匀，使膜层表面粗糙。
4 结 语
利用脉冲激光沉积技术，可以在Al2O3（0001）衬底上生长出高质量的GaN薄膜，研究表明在750 ℃的沉积温度时，GaN薄膜的结晶质量较高。在20 Pa以下的沉积气压下，GaN薄膜的晶体质量随着沉积气压的升高而提高。
参 考 文 献
［1］Friichtenicht J F.Laser-generated Pulsed Atomic Beams［J］.Rev.Sci.Instrum.,1973,45.
［2］Gupta A,B Hussey W.Laser Deposition of Yba2Cu3O7 Films Using a Pulsed Oxygen Source［J］.Appl.Phys.Lett.,1991,58.
［3］Song Hang,Park S H,Kang T W,et al.Optical Property of Heavily Mg-doped GaN Grown by MBE ［J］.Luminescence,1999,20(2):148-151.
［4］吕珂，叶志清，薛晨，等.脉冲激光沉积GaN薄膜\.江西师范大学学报：自然科学版,2005,29(5):453-456.
［5］Wang Honghai,Zheng Qiguang,Qiu Junlin,et al.Residual Stress and Thermal Stability of AlN Thin Films Deposited by Reactive Laser Ablation ［J］.Lasers,2000,A27(9):857-860.
［6］Mah K W,Mosnier J P,McGlynn E,et al.Study of Photoluminescence at 3.310 and 3.368 eV in GaN/sapphire (0001) and GaN/GaAs (001) Grown by Liquid-target Pulsed-laser Deposition ［J］.Appl.Phys.Lett.,2002,80(18):3 301-3 303.
［7］李晓兰.脉冲激光沉积系统(PLD)的应用\.江西师范大学学报:自然科学版，2004，28（6）：45-47.
［8］Ling Hao,Shi Wei,Sun Jian,et al.Prepatation of Aluminum Nitride Films Using Pulses Laser Deposition ［J］.Lasers,2001,A28(3):272-274.
［9］童杏林，郑启光，胡兵，等.直流放电辅助脉冲激光沉积Si基GaN薄膜的结构特征\.半导体学报,2004,25(2)：8-10.
［10］Gon NamKoong,Doolittle W Alan,April S Brown,et al.Role of Sapphire Nitridation Temperature on GaN Growth by Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy:Part Ⅰ.Impact of the Nitridation Chemistry on Material Characteristics ［J］.Appl.Phys.,2002,91(4):2 499-2 507.
作者简介 李晓兰 女，1962年出生，江西南昌人，江西师范大学副教授。研究方向为光学实验。
相关热词搜索： 制备 沉积 脉冲 薄膜 激光
