孫 輝，劉 俊，陳建金，沈龍海

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159)

InN是一種直接帶隙半導(dǎo)體，室溫下其禁帶寬度為0.64eV，具備高電子遷移率且電子有效質(zhì)量較小，是制作高頻與高速率晶體管、紅外發(fā)光器件及紅外探測器件的理想材料[1-3]。其諸多卓越性能使得InN材料備受關(guān)注。

目前合成InN薄膜的主要方法有射頻濺射(Radio Freqency Magnetron Sputtering，RFMS)、氫化物氣相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)等[4-7]。但上述方法在制備InN薄膜時存在較多缺點，如利用HVPE方法制備的InN薄膜點缺陷密度較高[8]，MBE與MOCVD沉積速率慢且成本較高，在制備InN薄膜時由于襯底溫度較高易造成銦原子聚集，故低溫低成本制備InN薄膜方法一直是研究的重點。

本文通過自主搭建的射頻等離子體輔助蒸發(fā)系統(tǒng)制備InN薄膜，避免其生長過程中InN出現(xiàn)分解，提高非晶基片上InN薄膜的結(jié)晶度，并在此基礎(chǔ)上對其光電性能進(jìn)行初步研究。

1 實驗部分

1.1 實驗主要原材料

高純金屬銦粒，粒徑1～3mm，純度99.999%，誠碩科研金屬材料有限公司；氮氣、氬氣，純度99.999%，大連科潤特種氣體有限公司。

1.2 樣品制備

采用等離子體輔助蒸發(fā)系統(tǒng)(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)制備InN薄膜，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 PECVD系統(tǒng)示意圖

利用鹽酸去除銦粒表面氧化層，然后將銦粒放入束源爐中；將玻璃基片放入無水乙醇中超聲清洗30min，除去基片表面雜質(zhì)；將兩極板間距固定為10cm，關(guān)閉腔體；利用機(jī)械泵與分子泵將腔體氣壓抽至5×10-4Pa，束源爐溫度固定在850℃；調(diào)整氮氣流量為20mL/min、沉積氣壓為30Pa、射頻功率為110W、沉積時間為5h。

1.3 樣品表征

采用Hitachi D/max2500PC型X射線衍射儀(XRD)表征樣品的晶體結(jié)構(gòu)(Cu-Kα，λ=0.15405nm)；采用Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察InN薄膜表面和截面形貌；采用SEM配備的X射線能譜分析儀(EDS)測定樣品的元素組成；采用HORIBA公司生產(chǎn)的iHR550型拉曼光譜儀(Raman)測量樣品的拉曼光譜；采用LabRAM HR Evolution型氦鎘激光器測量樣品的光致發(fā)光(PL)譜；采用霍爾測量系統(tǒng)(Hall)測量樣品的載流子遷移率；采用Lambda950型紫外-可見-紅外分光光度計測量InN薄膜的光學(xué)透過率。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品的XRD分析

制備的InN薄膜的XRD譜如圖2所示。

圖2 InN薄膜的XRD譜

由圖2可見六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)InN，未出現(xiàn)金屬銦的衍射峰，表明制備的InN薄膜為單相纖鋅礦結(jié)構(gòu)。XRD圖譜中位于33.2°與56.95°的衍射峰較強(qiáng)，分別對應(yīng)InN薄膜的(101)和(103)晶面。XRD衍射峰的半高寬(Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM)是衡量結(jié)晶質(zhì)量的標(biāo)志之一，通常情況下，XRD圖譜中最強(qiáng)衍射峰的FWHM值越小，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量越好。利用Origin軟件對薄膜XRD譜進(jìn)行高斯擬合，得到InN薄膜(101)衍射峰的FWHM值為0.55°，結(jié)晶質(zhì)量與文獻(xiàn)[9]中通過藍(lán)寶石襯底制備的InN薄膜質(zhì)量一致。薄膜的平均晶粒尺寸可根據(jù)Debye-Scherrer公式[10]計算得到。

(1)

式中：D為晶粒尺寸；λ為X射線波長；B為InN薄膜(101)晶面的FWHM值；θ為InN薄膜(101)晶面衍射角。計算得到平均晶粒尺寸為15.065nm。XRD結(jié)果表明，在玻璃襯底表面制備得到結(jié)晶質(zhì)量良好的純相InN薄膜。

2.2 形貌分析

不同放大倍率下InN薄膜的表面形貌(SEM圖)如圖3所示。

由圖3a可以看出，薄膜表面呈現(xiàn)不規(guī)則排布的鱗片狀結(jié)構(gòu)，相鄰的鱗片間類似山谷狀。由圖3b可知，薄膜表面由尺寸為20～30nm的三角形微晶和圓形顆粒組成，且排列致密。

InN薄膜截面形貌(SEM圖)如圖4所示。

圖4 InN薄膜截面SEM圖

由圖4可以看出，薄膜呈丘陵狀生長，厚度約為2.03μm。

采用EDS測得InN薄膜中各元素組成如表1所示。

表1 InN薄膜中各元素含量

表1中O元素為玻璃襯底產(chǎn)生的雜質(zhì)。由表1可知，N原子與In原子個數(shù)比近似為1∶1，In原子數(shù)量略高于N原子，表明制備的InN薄膜存在N空位。

2.3 光學(xué)性能分析

拉曼光譜是用于評價晶體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的有效方法。圖5為InN薄膜的拉曼光譜圖。利用Origin軟件對InN薄膜的拉曼光譜進(jìn)行多峰擬合，結(jié)果如圖中虛線所示。

圖5 InN薄膜的拉曼光譜圖

由圖5可以觀察到，位于波數(shù)449cm-1、492cm-1、558cm-1處的散射峰分別對應(yīng)A1(TO)、E2(high)和B1(high)振動模式。由于實際制備的InN薄膜不是單晶，對稱性的破壞造成選擇定則發(fā)生松動，出現(xiàn)禁戒的B1模式[11]。E2(high)振動模式的散射峰寬能夠反映晶體的質(zhì)量，由實驗結(jié)果可得E2(high)振動模式的散射峰寬為29.7cm-1，表明結(jié)晶質(zhì)量較好。

2.4 電學(xué)性質(zhì)

利用霍爾系統(tǒng)測量制備InN的電學(xué)性能。測量結(jié)果表明：制備的InN薄膜室溫電子遷移率為2.36×10-1cm2/(V·s)，電子載流子濃度為6.75×1020cm-3；由于N空位以及氧缺陷導(dǎo)致費米能級被提升至導(dǎo)帶內(nèi)部，造成InN薄膜表面形成n型聚集層。

InN薄膜的電子濃度較高，會造成Burstein-Moss效應(yīng)發(fā)生[12]，導(dǎo)致InN的費米能級由導(dǎo)帶與價帶之間移動至導(dǎo)帶內(nèi)部，進(jìn)而導(dǎo)致帶隙增加。早期InN禁帶寬度被認(rèn)為是1.9eV，其值與高載流子濃度、氧雜質(zhì)以及其他化學(xué)計量缺陷有關(guān)[13]。InN薄膜的禁帶寬度可通過載流子濃度估算，公式為[14]

Eg=0.65+0.0166(m0/m*)(n×10-19)2/3

(2)

式中：Eg為禁帶寬度；m0為電子慣性質(zhì)量；m*為電子有效質(zhì)量；n為載流子濃度。將載流子濃度測量值6.75×1020cm-3代入式(2)，得到InN薄膜的禁帶寬度約為2.24eV。

2.5 光譜分析

在波長200～800nm和800～1400nm范圍內(nèi)測量InN薄膜的光學(xué)透過率，得到其紫外可見透射光譜圖如圖6所示，其紅外透射光譜圖如圖7所示。

圖6 InN薄膜的紫外可見透射光譜圖

圖7 InN薄膜的紅外透射光譜圖

由圖6可以看出，紫外波段的光均被InN薄膜吸收。由圖7可以看出，InN薄膜在近紅外波段呈現(xiàn)較高的透過率，當(dāng)入射波長超過1400nm時，InN薄膜的透過率開始下降，原因是薄膜的載流子濃度過高造成光吸收。當(dāng)紅外光輻射到高濃度的自由載流子時，自由載流子受到聲子的散射，將能量傳遞給晶格，產(chǎn)生晶格振動，使電磁場能量減弱，造成紅外透過率降低。

圖8為InN薄膜在波長325nm的激光激發(fā)下的PL光譜。

圖8 波長325nm激發(fā)的InN薄膜的PL光譜圖

由圖8可以看出，在波長300～800nm范圍內(nèi)存在325nm激光光峰和中心波長位于573nm處的寬帶發(fā)光峰。該發(fā)光峰可能由InN薄膜中的N缺陷或氧雜質(zhì)產(chǎn)生，發(fā)光峰中心波長能量為2.16eV，可將其應(yīng)用于探測器、黃光發(fā)光器件等領(lǐng)域[15]。

3 結(jié)論

采用等離子體輔助蒸發(fā)系統(tǒng)在玻璃襯底上制備出InN薄膜。制備的InN薄膜具有良好的結(jié)晶質(zhì)量；霍爾測量結(jié)果表明InN薄膜為n型半導(dǎo)體，電子遷移率為2.36×10-1cm2/(V·s)、載流子濃度為6.75×1020cm-3、薄膜的禁帶寬度約為2.24eV；光譜分析結(jié)果顯示，制備的InN薄膜在近紅外波段呈現(xiàn)高透射率，波長573nm處存在強(qiáng)黃光發(fā)射，在探測器、黃光發(fā)光器件等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。