共濺射磁控濺射制備的alner薄膜的研究

共濺射磁控濺射制備的alner薄膜的研究

0稀土摻雜-族氮化物薄膜的制備在過去的幾十年里，由于其潛在的應(yīng)用價(jià)值和獨(dú)特的光譜機(jī)制，稀土族氮化物越來越受到重視。稀土離子發(fā)泡主要是由于內(nèi)部4f軌道分級(jí)的變化，而不是通過外部4f軌道分級(jí)的有效屏蔽。因此，四f地殼層的電子轉(zhuǎn)移很少受到局域環(huán)境、溫度等外部環(huán)境的影響，因此光的穩(wěn)定性通常是由稀土材料制成的。例如，用于紅外波束光源的混合光束的光譜峰為1.543m，對(duì)應(yīng)于er3和4i3的4i13、24i15和2級(jí)轉(zhuǎn)移。事實(shí)上，由于er3和離子4f軌道層的復(fù)雜性，er3的光譜范圍非常廣泛。例如，在550nm附近，er3的光譜峰非常強(qiáng)，這是三基色中的綠色光。因此，在全顏色的顯示中，er可以用作綠色光的喚醒劑。Ⅲ族-氮化物半導(dǎo)體,如GaN和AlN,屬直接寬帶隙半導(dǎo)體,這一物理特性使其即使在含有高缺陷濃度的情況下仍然具有較高的光激活能,這對(duì)于制備短波長發(fā)光器件具有特別重要的意義.稀土摻雜的Ⅲ族-氮化物半導(dǎo)體將Ⅲ族-氮化物的寬禁帶特點(diǎn)和稀土雜質(zhì)的光學(xué)特性進(jìn)行了有效結(jié)合,因此,在未來的發(fā)光器件制備中具有誘人的應(yīng)用前景.有關(guān)稀土摻雜Ⅲ族氮化物的報(bào)導(dǎo)已經(jīng)很多,主要集中在稀土摻GaN的研究上,例如,通過對(duì)GaN摻雜不同的稀土離子制備電致發(fā)光器件(ELD).與GaN相比,AlN具有更寬的禁帶寬度(Eg=6.2eV),具有更優(yōu)異的熱學(xué)、化學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)特性,因此,AlN可能是比GaN更為優(yōu)越的基體材料.近年來,國外有關(guān)稀土摻AlN的報(bào)導(dǎo)相繼出現(xiàn),但國內(nèi)還鮮見報(bào)導(dǎo).MOCVD和MBE技術(shù)常被用于稀土摻雜Ⅲ-族氮化物薄膜的制備,其工藝復(fù)雜且成本高;磁控濺射技術(shù)是一種低成本,大面積和易操作的薄膜生長方法,并且這一技術(shù)已經(jīng)被用于AlN薄膜的生產(chǎn).在本文的工作中,使用簡(jiǎn)單的共濺射磁控濺射方法,在Si基片上制備了Er3+摻雜的AlN薄膜,研究了共濺射靶材Er/Al的面積比對(duì)樣品組分的影響,并對(duì)獲得的AlN:Er薄膜進(jìn)行了發(fā)光光譜分析.采用JGP800型超高真空多功能磁控濺射鍍膜設(shè)備制備了非晶AlN摻Er薄膜.濺射靶為直徑3英寸的高純Al靶(99.999%)和面積為1cm×1cmEr(99.9%)靶,99.999%的高純Ar和N2分別作濺射氣體和反應(yīng)氣體.濺射前先在高純度Ar氣氛中對(duì)靶材預(yù)濺射20min以清除靶表面氧化層.最終優(yōu)化的濺射參數(shù)是:靶基距為9cm,本底真空為5.0×10-4Pa,氣體分壓N2/Ar=1/3,工作氣壓0.6Pa,使用直流電源,濺射功率80W-100W,在常溫下濺射1h,為保證薄膜的均勻性,基片在自轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行擺動(dòng).在本實(shí)驗(yàn)中,采用共濺射方法獲得所需雜質(zhì)含量的樣品.具體做法為:將Er靶置于Al靶上,通過調(diào)整所放置的Er靶的數(shù)量和位置來控制Er在AlN中的含量.如圖1為3種不同Er靶數(shù)量和位置示意圖,外圈圓為Al靶,內(nèi)圈圓為輝光放電時(shí)Ar+轟擊Al靶造成的凹坑位置,方塊為Er靶.對(duì)制備的樣品在850℃下退火45min.采用philipsX-pertMPDX射線衍射儀(Cu靶,λKα=0.154nm)分析薄膜的相結(jié)構(gòu);ThermoVG公司Multilab2000型X射線光電子能譜儀對(duì)薄膜的元素種類、含量及電子價(jià)態(tài)進(jìn)行分析(AlKα為激發(fā)源,1486.6eV,350W),Ar+離子槍進(jìn)行深度剝蝕,剝蝕速度約8nm/min,得到的譜圖以C-H污染峰C1s的284.8eV為基準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn).Accent公司RPM2000型光致發(fā)光譜儀測(cè)量PL光譜,激發(fā)波長為266nm,激光功率為1.47mW,測(cè)量范圍為380nm～680nm.2薄膜中er的作用X射線衍射測(cè)試結(jié)果表明所制備的樣品主要以非晶態(tài)形式存在,沒有明顯的衍射峰.為確定樣品的成分,對(duì)制備的AlN:Er樣品進(jìn)行了未表面剝蝕、剝蝕1min、6min和11min后的XPS測(cè)試分析.結(jié)果表明,按圖1中(a)、(b)方式進(jìn)行共濺射,所得到的樣品Er的含量<0.1%,基本達(dá)不到摻雜目的.下面主要對(duì)按圖1(c)方式共濺射樣品(后面的PL光譜分析也是基于該樣品)的XPS結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析.未進(jìn)行表面剝蝕的樣品組分(atm%)為:[O]=29.7%,[C]=23.6%,[Er]=0.4%,[Al]=29.2%,[N]=16.8%,[Na]=0.2%,剝蝕1min后,C和Na完全消失,可見其為表面吸附物,O含量迅速降低,隨著剝蝕時(shí)間的加長(超過5min后),樣品的組分不再有明顯改變.剝蝕不同時(shí)間樣品的組分如表1所示.圖2為樣品在進(jìn)行表面剝蝕到11min后測(cè)得的XPS全譜圖,組分分析表明,制備的AlN:Er樣品能較好地滿足化學(xué)計(jì)量比,原子百分比為:[Al]=45.2%,[N]=44.6%,[Er]=1.0%,[O]圖3為Er4d和01s的精細(xì)分譜圖.從圖中可以看出,Er以兩種價(jià)鍵方式存在于薄膜中,薄膜中Er4d元素光電子能譜峰分別是168.6eV和171.8eV,它們分別對(duì)應(yīng)于Er3+狀態(tài)和金屬態(tài)Er.XPS全譜組分分析得到Er的總含量為1atm%,通過分峰面積比計(jì)算,薄膜中化合物Er3+含量約占0.7atm%,其余的則為金屬態(tài)Er.研究發(fā)現(xiàn),由于采用的是共濺射磁控濺射方式制膜,金屬態(tài)Er的存在難以完全避免,AlN薄膜中Er含量的增加可能導(dǎo)致嚴(yán)重的金屬沉積,從而影響發(fā)光效率和光譜的單色性.所以,一般通過制膜時(shí)控制稀土摻雜總含量以及后期高溫退火使金屬態(tài)Er轉(zhuǎn)化成離子態(tài)Er的方法來解決這個(gè)問題.AIN:Er樣品中O的存在很難避免,不僅以自然吸附的方式存在于薄膜表面(534.5eV),而且形成反應(yīng)物(Al2O3和Er2O3)存在于薄膜內(nèi)部(532.2eV).理論計(jì)算表明,O在AlN中具有較低的形成能,這表明O很容易進(jìn)入AlN并以較高的含量存在于AlN中.2.2er3+間接激發(fā)輻射的影響圖4給出了AlN:Er樣品在室溫下的PL光譜.由圖可以看出,從398nm至682nm的波長范圍內(nèi)存在兩個(gè)很寬的光譜峰,另有多個(gè)尖峰疊加在這兩個(gè)寬峰之上,這與報(bào)導(dǎo)的Er摻GaAs的結(jié)果類似.為便于分析樣品的發(fā)光機(jī)理,我們對(duì)測(cè)試的光譜曲線進(jìn)行了擬合分解.由擬合曲線可以更清楚地看出得到的PL譜是由疊加在2個(gè)寬譜之上的3個(gè)尖峰組成.一般將這種寬譜之上疊加尖峰的特征歸因于AlN基體中存在不同類型的Er3+激發(fā)機(jī)制:寬帶譜源于Er3+的間接激發(fā)輻射,與中間媒介有關(guān),而尖峰則源于4f內(nèi)的電子被直接激發(fā)躍遷.分析結(jié)果表明,圖4中疊加在寬峰之上的尖峰源于Er3+的4f殼層內(nèi)部的直接激發(fā)躍遷,其中,位于539和563nm附近的兩個(gè)尖峰就是熟知的Er3+綠光發(fā)射,源于2H11/2和4S3/2到基態(tài)的躍遷,462nm附近的尖峰產(chǎn)生自4F15/2→4I15/2(.文獻(xiàn)也曾報(bào)導(dǎo)過該峰).趙彥立等通過研究稀土摻AlN的激發(fā)機(jī)理后認(rèn)為,AlN:Tb3+的激發(fā)過程主要是光子引起AlN禁帶邊附近能級(jí)的激發(fā),然后將能量傳遞給Tb3+離子,引起Tb3+離子的特征輻射.因此,中心位于478nm附近的寬峰可能與Er3+的間接激發(fā)有關(guān),進(jìn)一步分析認(rèn)為,該峰源于Er離子4F7/2→4I15/2能級(jí)的間接激發(fā)躍遷541-546.理論計(jì)算的結(jié)果表明,AlN中的ON具有較低的形成能,因此在AlN中很可能會(huì)形成ON-ON缺陷對(duì),該缺陷對(duì)的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底(CB)的能級(jí)深度為2.05eV;這正好對(duì)應(yīng)圖4中的中心,位于大約590nm的寬譜峰,再結(jié)合我們前面XPS的測(cè)試結(jié)果-樣品中含有少量的O,因此,我們有理由相信寬譜帶很可能源于AlN中的O雜質(zhì)所引入的深施主能級(jí).這正如歷史上著名的例子-缺陷導(dǎo)致了GaN的黃光發(fā)射(中心位于2.2eV,峰寬約1eV).在AlN:Er發(fā)光器件中,主要利用Er離子的綠色發(fā)光,為提高光譜純度,避免ON-O缺陷對(duì)的產(chǎn)生至關(guān)重要,相關(guān)工作仍在進(jìn)行中.3er含量的控制用共濺射磁控反應(yīng)