脈沖激光沉積系統（ＰＬＤ）的應用制備ＧａＮ薄膜

摘 要：采用脈沖激光沉積技術，在Al₂O₃襯底上生長GaN薄膜，利用X射線衍射（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）研究不同沉積溫度、不同沉積壓強對所生長的GaN薄膜晶體結構特征的影響。研究表明，在750 ℃的沉積溫度時，GaN薄膜的結晶質量較高；在20 Pa以下的沉積氣壓下，GaN薄膜的晶體質量隨著沉積氣壓的升高而提高。

關鍵詞：脈沖激光沉積系統；GaN材料；薄膜材料；沉積溫度；沉積氣壓

中圖分類號：TN40文獻標識碼：B

文章編號：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

隨著微電子行業的發展，對材料的要求越來越復雜，越來越高，人們開始關注材料的微觀結構和宏觀特性的關系，原子工程學已成為研究熱點。當薄膜沉積技術達到原子級精度時，就提供了研究材料特性的一種重要方法。脈沖激光沉積技術已經成為了制作這種獨特材料的重要方法［1］。

PLD（脈沖激光沉積技術）已經廣泛應用于制備各種材料的晶體薄膜［2］。本文以江西省光電子與通信重點實驗室利用PLD技術制備的GaN薄膜材料為例，分析沉積氣壓、沉積溫度等工藝條件，對GaN薄膜性能的影響。

1 基本理論

GaN作為一種化合物半導體材料，具有許多硅基半導體材料所不具備的優異性能，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料。它可以發射波長比紅光更短的藍光［3］，具有寬的帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、強的抗輻照能力、化學穩定性好，是堅硬的高熔點材料，其晶體一般是六方纖鋅礦結構。因此GaN在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景［4］。

脈沖激光沉積是指用激光使材料揮發，從而將材料鍍在所要求的物體（襯底）上的薄膜沉積技術［5］。通常使用的是一種準分子激光，在紫外的范圍內，產生強烈的脈沖（頻率為0~100 Hz）光束。典型的波長是193 nm(ArF氣體準分子激光)、248 nm（KrF氣體準分子激光)、308 nm（XeCI氣體準分子激光)等。脈沖激光沉積的物理過程是極其復雜的，它涉及高功率脈沖輻射沖擊固體靶時激光與物體之間的所有物理相互作用，還包括等離子羽輝的形成，其后已溶化的物質通過等離子羽輝到達已加熱的基片表面的轉移，及最后膜生成的過程。

激光脈沖參數的選擇和對象材料的特性均影響沉積的效果，脈沖激光沉積（PLD）一般可以分為4個階段：激光輻射與靶的相互作用；溶化物質的動能；溶化物質在基片的沉積；薄膜在基片表面的生成［6］。

在第一階段，激光束通過真空室的光學窗聚集在靶的表面，達到足夠的高能量通量與短脈沖寬度時，靶表面一切元素會快速受熱，達到蒸發溫度，此時物質從靶材中分離出來，蒸發出來的物質的成分與靶材的化學計量相同，物質的瞬時溶化率取決于激光照射到靶上的功率密度。溶化機制涉及許多復雜的物理現象，如碰撞、熱及電子的激發、層離和流體力學。在第二階段，根據氣體動力學定律，發射出來的物質有移向基片的傾向。激光光斑的面積與等離子的溫度對積膜是否均勻有重要的影響。靶材與基片的距離支配溶化物質的角度范圍。第三、四階段是決定薄膜性質的關鍵，放射出的高能核素碰擊基片表面，可能對基片造成各種破壞，入射的等離子流與受濺射原子流之間，建立一個碰撞區，在這個碰撞區形成后膜立即生成。這個區域正好成為凝結粒子的最佳場所。只要凝結率比受濺射粒子的釋放率高，熱平衡狀況便能夠快速達到。由于溶化粒子流減弱，膜便能在基片表面生成。晶體膜的成核與生成依賴許多因素，如密度、能量、電離率、凝結物質的種類、溫度以及基片的物理化學性特性［7］。

在沉積的過程中幾個重要的參數能夠控制，如真空度、腔體氣氛的條件、襯底的加熱過程、襯底的物質與結構、激光強度和光斑的大小、靶材的化學計量等。這些參數影響著薄膜的成長。盡管對每一種材料都存在著最佳參數，在實踐中找到這種最佳參數卻是很難的，因為單獨調節各個參量非常繁瑣，而且參量之間的關聯也使條件摸索更加困難。

脈沖激光設備薄膜的優點是：

（1） 能源（激光）放在真空室外，易于調解；

（2） 使用范圍寬，幾乎任何能凝結的物質都能制備成靶材。同時，由于脈沖激光器的特性，薄膜的生長率可以按要求任意調節；

（3） 薄膜成分容易嚴格實現與靶材成分一致；

（4） 薄膜質量高，膜底和基底之間互擴散小。

脈沖激光制備薄膜也存在著一些缺點，如當激光加熱靶材時，升溫極快，氣體急劇膨脹，小液滴掉在膜上，使膜產生缺陷［7］。

2 GaN薄膜的制備

GaN薄膜的制備［8］：

(1) 襯底：藍寶石（Al₂O₃）。

用丙酮潔凈處理。在沉積過程中，旋轉襯底，以得到均勻的膜層。

(2) 靶材：高純（99.999%）GaN粉壓制燒結靶。

為避免靶材在同一位置被激光持續轟擊，靶材在電機的帶動下保持旋轉。

(3) 工藝參數：

激光光源波長248 nm，激光重復頻率5 Hz，脈沖能量220 mJ/pulse，靶到襯底距離4 cm，激光光束聚焦到光斑大約2 mm2，背景真空預抽到5×10-4 Pa，當襯底加溫到一定溫度時，充N2(99.999%)，沉積氣壓為5~20 Pa，沉積溫度為700~800 ℃，時間為2 h［10］。

(4) 實驗設備

激光系統 準分子激光器（TUILASER M100KrF）。其技術參數：激光媒介KrF；波長248 nm；光斑10×20 mm；最大能量250 mJ/脈沖；脈沖寬度25 ns。

沉積系統 PLD-Ⅲ型激光濺射沉積系統。極限真空度6.67×10 Pa，系統采用機械泵和分子泵兩極真空系統，真空測量使用熱偶規和電離規兩級真空計。樣品加熱溫度800 ℃。使用 SR91Digital Controller(SHIMADEN Co.Ltd)溫控，溫度波動幅度上下2 ℃，樣品到靶臺距離可調范圍為30~100 mm。

3 結果與討論

圖1（a），（b），（c）為沉積溫度為750 ℃時，沉積氣壓在5~20 Pa范圍內變化所制得的幾個薄膜試樣的X射線衍射圖譜。由圖可見，3個樣品的Al₂O₃衍射峰（0001）基本相近，GaN膜層晶體為纖鋅礦結構，說明所沉積物質與靶材一致。

由圖1（a），（b）可見，在5~10 Pa沉積氣壓范圍內，GaN薄膜的衍射峰GaN（0002）隨著氣壓的升高而增強。但當沉積氣壓繼續增大到20 Pa時，GaN（0002）的衍射峰卻變弱，如圖1（c）所示。

由此可知，當沉積氣壓在20 Pa以下時，GaN薄膜層取向性逐漸增強。本試驗中10 Pa時所得GaN薄膜層的X射線衍射譜圖為晶格趨向一致的衍射峰。

引起上述現象的原因是氮氣在沉積系統中的作用：氮氣與靶材中融蝕濺射出的等離子體發生碰撞，使離子到達襯底表面時動能降低。氣壓低時發生的碰撞較少，這些等離子體到達襯底時就有太大的動能，導致所生長薄膜晶格位置偏移，而前面的膜層可能還沒來得及調整自己在擇優方向生長就被后續原子所覆蓋固化，降低了所生長膜層的晶體質量。而隨著沉積氣壓的升高，氮氣與這些等離子體的碰撞增大，則等離子體到達襯底時的動能就會降低，當動能合適時，就可產生高質量的薄膜結晶，但碰撞過大也會使等離子體達到襯底表面時能量過低，而使其擇優取向的能力及附著力降低，也會降低所生長膜層的晶體質量。

圖2（a），（b），（c）分別是在700 ℃，750 ℃和800 ℃沉積溫度下所生長的GaN薄膜表面形貌的原子力顯微圖像。

由圖可知，在750 ℃時GaN薄膜生長帶有一定的擇優取向性，晶粒直徑均勻、結晶度好，具有較好的晶體質量；在700 ℃時GaN薄膜晶體質量差，表面呈臺階狀，有黑色坑點，晶體位錯較多；在800 ℃時GaN薄膜晶粒粗大，晶粒直徑不勻，使膜層表面粗糙。

4 結 語

利用脈沖激光沉積技術，可以在Al₂O₃（0001）襯底上生長出高質量的GaN薄膜，研究表明在750 ℃的沉積溫度時，GaN薄膜的結晶質量較高。在20 Pa以下的沉積氣壓下，GaN薄膜的晶體質量隨著沉積氣壓的升高而提高。

參 考 文 獻

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作者簡介 李曉蘭 女，1962年出生，江西南昌人，江西師范大學副教授。研究方向為光學實驗。