化學(xué)氣相沉積的發(fā)展應(yīng)用

1、化學(xué)氣相沉積法的發(fā)展應(yīng)用摘要介紹了化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)以及基本應(yīng)用，還有化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)的具體分類，包括熱化學(xué)氣相沉積法、低壓氣相沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、激光輔助化學(xué)氣相沉積、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積；同時(shí)詳細(xì)介紹了化學(xué)氣相沉積（CVD）中的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）的原理、反應(yīng)過程、特性、方法分類以及應(yīng)用等方面。其中實(shí)際舉例說明了等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）在研究太陽能窗口層材料中的應(yīng)用，以及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）在納米圖形襯底上沉積高質(zhì)量氮化錢中的應(yīng)用。并展望了等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景

2、。關(guān)鍵字：化學(xué)氣相沉積法；分類；等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積1引言1.1 化學(xué)氣相沉積簡(jiǎn)介化學(xué)氣相沉積是一種材料表面強(qiáng)化技術(shù)，是在相當(dāng)高的溫度下，混合氣體與工件表面相互作用，使混合氣體中的某些成分分解，并在工件表面形成一種金屬或化合物固態(tài)薄膜或鍍層1。它可以利用氣相間的反應(yīng)，在不改變工件基體材料的成分和不削弱基體材料強(qiáng)度的條件下，賦予工件表面一些特殊的性能。CVD的反應(yīng)溫度取決于沉淀物的特性，通常大約為9002000C0中溫CVD的典型反應(yīng)溫度大約500-800C,它通常是通過金屬有機(jī)物在較低溫度的分解來實(shí)現(xiàn)的，所以又稱為金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）。目前，化學(xué)氣相沉積技術(shù)不僅應(yīng)用于刀

3、具材料、耐磨耐熱耐腐蝕材料、宇航工業(yè)的特殊復(fù)合材料、原子反應(yīng)堆材料及生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域，而且被廣泛應(yīng)用于制備與合成各種粉體材料、塊體材料、新晶體材料、陶瓷纖維及金剛石薄膜等。在作為大規(guī)模集成電路技術(shù)的鐵電材料、絕緣材料、磁性材料、光電子材料的薄膜制備技術(shù)方面，更是不可或缺。1.2 原理化學(xué)氣相沉積（CVD,ChemicalVaporDeposition）是把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并把固體產(chǎn)物沉積到表面生成薄膜的過程。圖1是CVD法原理示意圖。2圖1CVD法原理示意圖它包括4個(gè)主要階段：反應(yīng)氣體向材料表面擴(kuò)散；反應(yīng)氣體

4、吸附于材料的表面；在材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；氣態(tài)副產(chǎn)物脫離材料表面。在CVD運(yùn)用適宜的反應(yīng)方式，選擇相應(yīng)的溫度、氣體組成、濃度、壓力等參數(shù)就能得到具有特定性質(zhì)的薄膜。但是薄膜的組成、結(jié)構(gòu)與性能還會(huì)受到CVD內(nèi)的輸送性質(zhì)（包括熱、質(zhì)量及動(dòng)量輸送）、氣流的性質(zhì)（包括運(yùn)動(dòng)速度、壓力分布、氣體加熱等）、基板種類、表面狀態(tài)、溫度分布狀態(tài)等因素的影響。因此，只有通過充分的熱力學(xué)研究，了解各種參數(shù)對(duì)析出產(chǎn)物組成、結(jié)構(gòu)與性能的影響，才能獲得我們所希望的材料。32化學(xué)氣相沉積法分類1.1 金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積技術(shù)（MOCVD）MOCVD是一種利用低溫下易分解和揮發(fā)的金屬有機(jī)化合物作為物質(zhì)源進(jìn)行化學(xué)氣相沉積的

5、方法，主要用于化合物半導(dǎo)體氣相生長(zhǎng)方面。與傳統(tǒng)的CVD相比，MOCVD的沉積溫度相對(duì)較低，能沉積超薄層甚至原子層的特殊結(jié)構(gòu)表面，可在不同的基底表面沉積不同的薄膜。因此，對(duì)于那些不能承受常規(guī)CVD高溫，而要求采用中低溫度的基體（如鋼一類的基體）有很高的應(yīng)用價(jià)值。此外，用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)的多晶SiO2是良好的透明導(dǎo)電材料，用MOCVD得到的TiO2結(jié)晶膜也用于了太陽能電池的抗反射層、水的光電解及光催化等方面。MOCVD技術(shù)最有吸引力的新應(yīng)用是制備新型高溫超導(dǎo)氧化物陶瓷薄膜。31.2 激光化學(xué)氣相沉積（LCVD）LCVD是一種在化學(xué)氣相沉積過程中利用激光束的光子能量激發(fā)和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的薄膜沉積方法

6、。激光作為一種強(qiáng)度高、單色性好和方向性好的光源，在CVD中發(fā)揮著熱作用和光作用。前者利用激光能量對(duì)襯底加熱，可以促進(jìn)襯底表面的化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到化學(xué)氣相沉積的目的；后者利用高能量光子可以直接促進(jìn)反應(yīng)物氣體分子的分解。利用激光的上述效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)在襯底表面的選擇性沉積，即只在需要沉積的地方才用激光光束照射，就可以獲得所需的沉積圖形。另外，利用激光輔助CVD沉積技術(shù)，可以獲得快速非平衡的薄膜，膜層成分靈活，并能有效地降低CVD過程的襯底溫度。如利用激光，在襯底溫度為50c時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)二氧化硅薄膜的沉積。目前，LCVD技術(shù)廣泛用于激光光刻、大規(guī)模集成電路掩膜的修正、激光蒸發(fā)-沉積以及金屬化。LCVD法

7、氮化硅膜已達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的水平，其平均硬度可達(dá)2200HK;TiN、TiC及SiC膜正處于研發(fā)階段。目前對(duì)LCVD法制金剛石、類金剛石膜的研究正在進(jìn)行探索，并在低溫沉積金剛石方面取得了進(jìn)展冏。1.3 低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）LPCVD的壓力范圍一般在1X1044X104Pa之間。由于低壓下分子平均自由程增加，氣態(tài)反應(yīng)劑與副產(chǎn)品的質(zhì)量傳輸速度加快，從而使形成沉積薄膜材料的反應(yīng)速度加快。同時(shí)，氣體分子分布的不均勻在很短的時(shí)間內(nèi)可以消除，所以能生長(zhǎng)出厚度均勻的薄膜。止匕外，在氣體分子運(yùn)輸過程中，參加化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物分子在一定的溫度下吸收了一定的能量，使這些分子得以活化而處于激活狀態(tài)，這就使參加化

8、學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物氣體分子間易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也就是說LPCVD的沉積速率較高?，F(xiàn)利用這種方法可以沉積多晶硅、氮化硅、二氧化硅等。1.4 熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）TCVD是指采用襯底表面熱催化方式進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積。該方法沉積溫度較高，一般在8001200C,這樣的高溫使襯底的選擇受到很大限制，但它是化學(xué)氣相沉積的經(jīng)典方法。1.5 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)是借助輝光放電產(chǎn)生的等離子體使氣體分解并發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的技術(shù)。當(dāng)在系統(tǒng)的兩個(gè)電極之間加上電壓時(shí)，由陰極發(fā)射出的電子在電場(chǎng)的作用下被加速獲得能量，通過與反應(yīng)室中氣體原子或分子碰撞，使其分解、激

9、發(fā)或電離，一方面產(chǎn)生輝光，另一方面在反應(yīng)室內(nèi)形成很多電子、離子、活性基團(tuán)以及亞穩(wěn)的原子核分子等，組成等離子體的這些粒子，經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的物理一化學(xué)反應(yīng)過程，在襯底上形成薄膜4。3 PECVD具體介紹3.1 PECVD原理PECVD就是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜5。其中等離子體是氣體在一定條件下受到高能激發(fā)，發(fā)生電離，部分外層電子脫離原子核，形成電子、正離子和中性粒子混合組成的一種形態(tài)，這種形態(tài)就稱為等離子態(tài)。PECVD技術(shù)的原理是利用輝光放電產(chǎn)生的等離子體使氣體分解并發(fā)生反應(yīng)，從而生成薄膜（見

10、圖2）。一般來說，采用PECVD技術(shù)制備薄膜材料時(shí)，主要有以下3個(gè)基本過程：電子與反應(yīng)氣體原子或分子碰撞，使得反應(yīng)氣體發(fā)生分解、激發(fā)或電離，形成離子和活性基團(tuán)的混合物；各種活性基團(tuán)向薄膜生長(zhǎng)表面和管壁擴(kuò)散輸運(yùn)，同時(shí)發(fā)生各反應(yīng)物之間的次級(jí)反應(yīng)；到達(dá)襯底表面的各種初級(jí)反應(yīng)和次級(jí)反應(yīng)物被吸附并與襯底表面發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)伴有氣相分子物的再放出6o基板加熱(輻射、熱傳導(dǎo)，,感應(yīng)加熱)圖2PECVD沉積薄膜原理3.2 PECVD具體過程第一個(gè)過程主要為：在輝光放電條件下，由于硅烷等離子體中的電子具有幾個(gè)eV以上的能量，因此H2和SiH4受電子的碰撞會(huì)發(fā)生分解，此類反應(yīng)屬于初級(jí)反應(yīng)。若不考慮分解時(shí)的中間激發(fā)態(tài)

11、，可以得到如下一些生成SiHm(m=0,123)與原子H的離解反應(yīng)：e+SiH4-SiHz+Hz+e(1)e+SiH4-SiH3+H+e(2)e+SiH4-Si+2H2+e(3)e+SiH4-SiH+H2+H+e(4)e+H2-2H+e(5)按照基態(tài)分子的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱計(jì)算，上述各離解過程(1)(5)所需的能量依次為3.3 、4.1、4.4、5.9eV和4.5eV。等離子體內(nèi)的高能量電子還能夠發(fā)生如下的電離反應(yīng)：e+SiH4-SiH2+H2+2e(6)e+SiH4-SiH3+H+2e(7)e+SiH4-Si+2H2+2e(8)e+SiH4-SiH+H2+H+2e(9)以上各電離反應(yīng)(6)(9)需要

12、的能量分別為11.9,12.3,13.6和15.3eV,由于反應(yīng)能量的差異，因此(1)(9)各反應(yīng)發(fā)生的幾率是極不均勻的。止匕外，隨反應(yīng)過程(1)(5)生成的SiHm也會(huì)發(fā)生下列的次級(jí)反應(yīng)而電離，例如：SiH+e-SiH+2e(10)SiH2+e-SiH2+2e(11)SiH3+e-SiH3+2e(12)上述反應(yīng)如果借助于單電子過程進(jìn)行，大約需要12eV以上的能量。鑒于通常制備硅基薄膜的氣壓條件下(10100Paj),電子密度約為1010cm-3的弱電離等離子體中10eV以上的高能電子數(shù)目較少，累積電離的幾率一般也比激發(fā)幾率小，因此硅烷等離子體中，上述離化物的比例很小，SiHm的中性基團(tuán)占支配

13、地位，因?yàn)樗枘芰坎煌琒iHm的濃度按照SiH3,SiH2,Si,SiH的順序遞減。第二個(gè)過程主要除上述的離解反應(yīng)和電離反應(yīng)之外，離子分子之間的次級(jí)反應(yīng)也很重要：SiH2+SiH4-SiH3+SiH3(13)因此，就離子濃度而言，SiH3+比SiH2+多。它可以說明在通常SiH4等離子體中SiH3+離子比SiH2+離子多的原因。此外，還會(huì)發(fā)生由等離子體中氫原子奪取SiH4中氫的分子一原子碰撞反應(yīng)：H+SifSiH3+H2(14)這是一個(gè)放熱反應(yīng)，也是形成乙硅烷Si2H6的前驅(qū)反應(yīng)。當(dāng)然上述基團(tuán)不僅僅處于基態(tài)，在等離子體中還會(huì)被激勵(lì)到激發(fā)態(tài)。第三個(gè)過程中，硅烷等離子體中的離化基團(tuán)只是在低氣壓高

14、電離的等離子體條件下才對(duì)薄膜沉積有顯著的貢獻(xiàn)，在一般硅薄膜的沉積條件下，各種中性基團(tuán)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離化基團(tuán)，SiH4分解產(chǎn)生的中性基團(tuán)是薄膜生長(zhǎng)過程中最重要的活性物質(zhì)。由于薄膜生長(zhǎng)表面的懸掛鍵通常都被H鈍化，因此對(duì)于SiH2和SiH3等含氫的活性基團(tuán)，表面反應(yīng)必須經(jīng)歷吸收成鍵與放氫過程，并且放氫是這種反應(yīng)中必不可少的過程。下面以SiH2說明這個(gè)過程：SiH2+(Si-H)-(Si-SiH3*)(17)(Si-SiH3*)-(SSiH)+H2(18)(Si-SiH)+(Si-H)一(S-Si-SiH2)(19)其中，(17)式是生長(zhǎng)表面的吸收成鍵過程，(18)式是放氫過程，(19)式是放氫后與鄰

15、近的Si-H鍵結(jié)合構(gòu)成新的生長(zhǎng)表面的過程。SiH3參與的過程與此相近，不同之處在于它被表面吸收的方式：(Si-H)+SiH3一(Si-)+SiH4(20)(Si-)+SiH3一(Si-SiH3*)(21)首先，SiH3基團(tuán)通過(20)式的反應(yīng)從鈍化表面Si-H鍵中奪H,產(chǎn)生表面懸鍵Si-。由于SiH3基團(tuán)有一個(gè)未配對(duì)的自旋電子，因此另外的SiH3基團(tuán)容易被生長(zhǎng)表面的懸鍵Si-吸收，發(fā)生(21)式所示的表面吸收成鍵過程。隨后的放氫以及與Si-Si鍵合，同Si-H2基團(tuán)沉積過程中的情況可以完全一樣，但是也更容易通過相鄰的(Si-SiH3*)之間的(Si-H)合并而實(shí)現(xiàn)。PECVD方法區(qū)別于其它CV

16、D方法的特點(diǎn)在于等離子體中含有大量高能量的電子，它們可以提供化學(xué)氣相沉積過程所需的激活能。電子與氣相分子的碰撞可以促進(jìn)氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過程，生成活性很高的各種化學(xué)基團(tuán)，因而顯著降低CVD薄膜沉積的溫度范圍，使得原來需要在高溫下才能進(jìn)行的CVD過程得以在低溫實(shí)現(xiàn)。3.4 PECVD種類主要可以分為兩類：直接式和間接式。直接式一基片位于一個(gè)電極上，直接接觸等離子體樣品或樣品的支撐體就是電極的一部分。直接式一基片不接觸激發(fā)電極，待沉積的樣品在等離子區(qū)域之外, 其支撐體也不是電極的一部分。等離子體不直接打到樣品表面，樣品或©圖3直接式的PECVDMicrowave excit

17、ationb)SiXJ Il|F=圖4間接式的PECVD從大的方面來講，直接PECVD法對(duì)樣品表面有損傷，會(huì)增加表面少子的復(fù)合，但也正是由于其對(duì)表面的轟擊作用，可以去除表面的一些自然氧化層，使表面的雜質(zhì)原子得到抑制；另外直接法可以使得氫原子或氫離子更深入的進(jìn)入多品硅晶界中，使晶界鈍化更充分。間接法不易損傷表面，短波響應(yīng)較好，但是晶界鈍化不好，長(zhǎng)波響應(yīng)稍差。PECVD還具有鈍化作用，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：體內(nèi)鈍化和表面鈍化。體內(nèi)鈍化一亞表面：PECVD沉積a-Si:H時(shí)，鈍化晶硅亞表面內(nèi)部晶界懸掛鍵，降低復(fù)合。表面鈍化：沉積a-Si薄膜前，采用H2等離子體預(yù)處理，有效降低晶硅表面懸鍵，提供良好的a

18、-Si界面性能。4 CVD實(shí)際應(yīng)用4.1 PECVD的應(yīng)用隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題已成為人類面臨的最迫切需要解決的問題。太陽能清潔、無污染、取之不盡用之不竭，太陽能發(fā)電技術(shù)可以將太陽光的輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，是目前可再生能源技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展最快、最有前途的技術(shù)之一。目前80%以上的太陽能電池由晶體硅材料制備而成，制備高效率、低成本的晶體硅太陽能電池對(duì)于大規(guī)模利用太陽能發(fā)電有著重要的意義，其中，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積是制備高效晶體硅太陽能電池的關(guān)鍵設(shè)備7。有實(shí)驗(yàn)在研究太陽能電池窗口層材料硼摻雜的氫化非晶硅氧時(shí)，就應(yīng)用到了PECVD設(shè)備。整個(gè)實(shí)驗(yàn)把制備的硼摻雜的氫化非晶硅氧和氫化

19、非晶硅進(jìn)行了比較研究。盡管兩種樣品的摻雜效率幾乎完全相同，但是在整個(gè)摻雜濃度范圍內(nèi),P型氫化非晶硅氧的暗電導(dǎo)率始終要比P型氫化非晶硅低了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。即使在沉積的樣品在進(jìn)行退火處理之后有一個(gè)相同的激活能狀態(tài)，P型氫化非晶硅氧的暗電導(dǎo)率也依然比P型氫化非晶硅要低。實(shí)驗(yàn)通過分析兩種高質(zhì)量樣品不同的烏爾巴赫能值，得出P型氫化非晶硅氧比P型氫化非晶硅更低的暗電導(dǎo)率是來源于它本身更低的空穴遷移率。P層和緩沖層材料的發(fā)展是提高硅基太陽能電池薄膜光伏性能的關(guān)鍵。該文獻(xiàn)，通過與P型氫化非晶硅的對(duì)比，研究了硼摻雜的P型氫化非晶硅氧的光電性能，以及它作為寬隙P型太陽能電池窗口層的應(yīng)用性。實(shí)驗(yàn)主要步驟為：首先用P

20、ECVD法制備硼摻雜的氫化非晶硅和氫化非晶硅氧。摻雜氣體的比率從500到10000Ppm不斷變化；再用公面型Al電極測(cè)得制備薄膜的暗電導(dǎo)率和暗電導(dǎo)率的激活能；接下來用Tauc's公式計(jì)算出光學(xué)帶隙網(wǎng)；用紅外光譜測(cè)出養(yǎng)和氫的含量；最后用二次離子質(zhì)譜法測(cè)出硼的含量。a Si;Ha-SizlHla-SiO:HiiLB2HySiH4 (ppm)(ppm)圖6暗電導(dǎo)率和摻雜氣體比率 的關(guān)系圖5光帶隙和摻雜氣體比率的 關(guān)系通過觀察圖5光學(xué)帶隙和摻雜氣體比率之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)光學(xué)帶隙是隨著硼摻雜水平的增加而減小的，兩種試樣中的變化均是如此。這主要是因?yàn)榕鹜轭惢瘜W(xué)物質(zhì)到達(dá)生長(zhǎng)薄膜的表面，會(huì)有一個(gè)催化

21、除氫的過程，很大程度上降低了氫的鈍化作用9。也可以從圖中觀察到。隨著硼摻雜量的增加，光學(xué)帶隙在氫化非晶硅氧中比在氫化非晶硅中下降得更厲害，這主要是由于氫化非晶硅氧中，氫和氧的含量都減少了，而氫化非晶硅中只有氫減少了。從圖6中可以看到，兩種樣品的暗電導(dǎo)率都隨硼摻雜水平的增加而增加。但是可以明顯看出氫化非晶硅氧的暗電導(dǎo)率在整個(gè)摻雜范圍內(nèi)，比氫化非晶硅低了1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，硼摻雜的微晶硅的暗電導(dǎo)率在熱退火中是會(huì)發(fā)生變化的10。于是接下來進(jìn)一步考察兩種樣品在退火之后的狀態(tài)。通過之后對(duì)暗電導(dǎo)率和退火溫度之間的實(shí)驗(yàn)得出，暗電導(dǎo)率隨退火溫度的升高而增大。在摻雜效率相同的情況下，P型氫化非晶硅氧及

22、時(shí)在退火之后，它的暗電導(dǎo)率也依然比氫化非晶硅的要低。暗電導(dǎo)率不僅僅受摻雜效率的影響，而且還受到間隙狀態(tài)密度和載流子遷移率的影響。通過后續(xù)分析樣品的烏爾巴赫能獲得相關(guān)的載流子信息。最后整個(gè)實(shí)驗(yàn)得到：硼摻雜的P型氫化非晶硅氧比P型氫化非晶硅的暗電導(dǎo)率低1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。這種電導(dǎo)率差異的原因可能是受到了P型氫化非晶硅氧中更低的空穴遷移率的影響造成的11。4.2 MOCVD的應(yīng)用MOCVD（MetalOrganicChemicalVaporDeposition）即有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積它是在1968年由美國洛克威爾公司的Manasevit等人提出來的制備化合物半導(dǎo)體薄片單晶的一項(xiàng)新技術(shù)。該技術(shù)是采用田、n

23、族元素的有機(jī)化合物和V族、VI族元素的氫化物等作為生長(zhǎng)源材料，以熱分解反應(yīng)在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長(zhǎng)田-V族，R-VI族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單層12。有實(shí)驗(yàn)在研究氮化錢在襯底上生長(zhǎng)時(shí)用到MOCVDo氮化錢（GaN）是一種田-V主族化合物，被譽(yù)為是第三代半導(dǎo)體材料。GaN作為光電和光子時(shí)代的半導(dǎo)體材料應(yīng)用前景廣闊。但是由于現(xiàn)在還沒有商業(yè)化的大尺寸體單晶，電光行業(yè)基于氮化鐵基設(shè)備的應(yīng)用和發(fā)展主要還是依賴于外延薄膜形式，研究人員嘗試用多種方法來制備GaN同質(zhì)/異質(zhì)外延薄膜。然而，薄膜類氮化錢需要昂貴的基材（同質(zhì)外延生長(zhǎng)氮化錢會(huì)顯著增加位錯(cuò)密度），異質(zhì)外延GaN材料制備簡(jiǎn)單但是存在較

24、大品格失配和熱失配，品格缺陷較多，限制了器件性能提升13o該實(shí)驗(yàn)則是通過改變?cè)谝r底上圖形的大小來研究氮化錢晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量。首先通過MOCVD在納米圖形的藍(lán)寶石襯底（NPSS）上沉積四種不同厚度緩沖層的樣品，緩沖厚度分別為25、17.5、15和12.5nm,然后在不同緩沖層上沉積需要的氮化錢層。另外在MPSS上制備了三種不同厚度緩沖層的樣品作為對(duì)比，厚度分別為30nm、25nm和20nm。所生長(zhǎng)的晶體質(zhì)量用XRD和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)分析。圖7生長(zhǎng)在NPSS上，緩沖層為(a)25nm , (b)17.5nm , (c)15nm 和(d)12.5nm的氮化錢薄膜平面視圖ounuoovooo 4 2

25、O 8 6 4 2 o K 6- utau 母 PPOJQ受告 LHLL.Huff所 Layr IhfknaK 4mm)14圖8生長(zhǎng)在NPSS上，半高寬和緩沖 層厚度的關(guān)系。上面左圖為四個(gè)NPSS上樣品的表面形貌觀察的圖形。右圖是四個(gè)樣品的XRD在兩個(gè)不同衍射面半高寬的圖形。分析左圖，可以看出緩沖層從25nm減小到15nm,樣品的表面的黑洞是越來越少，表面表現(xiàn)得越來越平整。而從15nm到12.5nm,樣品表面又出現(xiàn)了少量的黑洞。黑洞代表著穿透位錯(cuò)，說明在緩沖層厚度為15nm的時(shí)候，所生長(zhǎng)的氮化錢樣品的晶體質(zhì)量最好。右圖也同樣說明了這一點(diǎn)，XRD的半高寬可以表征晶體的結(jié)晶質(zhì)量，半高寬越窄晶體的結(jié)

26、晶質(zhì)量越高越完整，所包含的缺陷越少。可以從四種樣品的兩組不同的衍射晶面都可以得出，在15nm緩沖層厚度上生長(zhǎng)的晶體的半高寬是最窄的，也就是說在15nm緩沖層的時(shí)候所生長(zhǎng)的晶體的質(zhì)量是最好的，這個(gè)與顯微鏡的形貌觀察相符合，相關(guān)文獻(xiàn)也課查出晶體中具體包含的螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)的密度14。用SEM對(duì)分別對(duì)NPSS和MPSS上結(jié)晶氮化錢的過程進(jìn)行了觀察，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在MPSS上氮化錢主要在溝道區(qū)生長(zhǎng)，但是在襯底圖案的側(cè)壁上也可以發(fā)現(xiàn)有大量的氮化錢在生長(zhǎng)，而在NPSS上氮化錢主要在溝道區(qū)上生長(zhǎng)，而側(cè)壁上幾乎沒有任何氮化錢生長(zhǎng)，這種生長(zhǎng)方式也是對(duì)減小位錯(cuò)密度是非常有用的。實(shí)驗(yàn)最后得到在NPSS襯底上，15

27、nm的緩沖層厚度是最適合結(jié)晶高質(zhì)量的氮化錢。幾乎可以達(dá)到一個(gè)鏡面的表面形態(tài)15。5結(jié)論與展望CVD技術(shù)開發(fā)的較早，對(duì)它的研究也更深入一些，目前它已在表面科學(xué)與工程中發(fā)揮著重要的作用，代表CVD技術(shù)發(fā)展前沿的PECVD和MOCVD在我國也有很多的研究。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問題迫切需要解決，太陽能發(fā)電作為理想的可再生能源備受關(guān)注，提高電池效率和降低成本成為目前努力的方向。PECVD技術(shù)沉積溫度低、應(yīng)用范圍廣，未來通過PECVD研究獲得優(yōu)異特性和較高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池，具有很好的發(fā)展前景。MOCVD技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，取得了多項(xiàng)新進(jìn)展，主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：(1)設(shè)計(jì)了新的

28、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，改善了大面積生產(chǎn)時(shí)外延層組分和厚度的均勻性；(2)將光了引入外延過程，開發(fā)了光誘導(dǎo)MOCVD技術(shù)；(3)利用掩膜技術(shù)或聚焦的激光束掃描，進(jìn)行MOCVD的選擇生長(zhǎng)；(4)利用V族的烷基化合物代替AsH3等劇毒氣體，提高了外延系統(tǒng)的安全性。MOCVD技術(shù)的這些新進(jìn)展已經(jīng)或?qū)?huì)對(duì)微波器件和光電器件的研制產(chǎn)生巨大的影響。MOCVD技術(shù)在半導(dǎo)體材料和器件制備方面取得了巨大的成功。盡管如此，MOCVD仍是一種發(fā)展中的半導(dǎo)體超精細(xì)加工技術(shù)。MOCVD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)給微電子技術(shù)和光電子技術(shù)帶來更廣闊的前景。參考文獻(xiàn)1趙峰,楊艷麗.CVD技術(shù)的應(yīng)用與進(jìn)展J,熱處理.2009,24(4):7-1

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