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催化剂辅助化学气相生长高结晶六方氮化硼薄膜

作　者: 朱二涛
导　师: 于杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 六方氮化硼 催化剂 化学气相沉积 薄膜
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


纯六方氮化硼(hBN)是一种直接带隙宽禁带半导体，其禁带宽度接近6eV，在紫外发光器件及高频电子器件领域具有重要的应用前景。本研究采用微波等离子体化学气相沉积（CVD）方法制备hBN薄膜,探索催化剂对hBN薄膜CVD生长的影响规律,目的是通过在CVD过程中引入催化剂的作用获得高结晶的hBN薄膜。反应气源采用He-N2-BF3-H2的气体，基材采用(100)取向的单晶Si片。研究了催化剂的选择及其制备工艺以及CVD工艺参数对薄膜质量的影响，并初步探索了催化生长的hBN薄膜的发光性质。首先对金属催化剂进行了筛选，较为系统地研究了催化剂薄膜的制备工艺。基于已有文献和有关热力学数据，选择镍和钼及其合金作为本实验的催化剂，研究发现钼和镍钼合金的催化效果明显。催化剂的制备采用磁控溅射方法在硅基材上沉积，并施加后续退火工艺改善催化剂的质量，通过退火催化剂薄膜表面形貌更加均匀，结晶性改善。主要利用拉曼光谱表征了hBN薄膜的结晶度，测试表明采用催化剂生长的hBN薄膜其拉曼峰半高宽比直接在硅衬底上生长的薄膜明显窄化。研究了后续退火工艺对催化剂上生长的hBN薄膜质量的影响，结果表明后续退火有助于结晶质量的进一步提高，退火后的催化剂其催化效果更加明显。同时研究了CVD工艺参数主要是压强及偏压对hBN薄膜质量的影响，研究发现工作气压对薄膜的生长速率影响很大。过低的气压下薄膜的生长速率过低，而过高的气压导致结晶性的恶化，较为适合的工作压强是6 kPa，在该气压下，薄膜生长速度适中，薄膜结晶性比较好。偏压的引入会导致薄膜质量下降，这主要源于偏压导致的离子轰击会在薄膜中产生更多的缺陷。光致发光测试表明，本实验的六方氮化硼的发光峰位于379 nm，对应的能量是3.28 eV，属于缺陷或杂质有关的深能级发光。随着退火时间的延长，379 nm附近的发光峰变窄，变强，表明缺陷的减少和薄膜质量的提高。。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
ACKNOWLEDGEMENTS  8-11
LIST OF TABLES  11-12
LIST OF FIGURES  12-14
CHAPTER 1 INTRODUCTION  14-25
  1.1 Introduction to hBN  14-21
    1.1.1 Structure  14-15
    1.1.2 Properties  15-17
    1.1.3 Synthesis methods  17-18
    1.1.4 Application  18-21
  1.2 Introduction to catalytic growth  21-24
  1.3 Major work of my research  24-25
CHAPTER 2 EXPERIMENTAL METHODS  25-36
  2.1 Preparation of the catalyst films  25-27
    2.1.1 Catalyst selection  25-26
    2.1.2 Pre-treatment of substrates  26-27
    2.1.3 Preparation of catalyst films  27
  2.2 Preparation of hBN films  27-34
    2.2.1 Samples preparation  27-28
    2.2.2 Microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD)  28-34
  2.3 Characterization  34-36
    2.3.1 Raman spectroscopy and photoluminescence  34
    2.3.2 Scanning electron microscopy  34-35
    2.3.3 X-ray diffraction  35-36
CHAPTER 3 CATALYTIC GROWTH HBN FILMS  36-59
  3.1 Comparison study of different catalysts  36-38
  3.2 Effects of process parameters on catalystic growth of hBN films  38-43
    3.2.1 Effects of working pressure  38-42
    3.2.2 Effects of bias  42-43
  3.3 Catalyst films annealing  43-49
    3.3.1 hBN films grown on Si substrate  44-45
    3.3.2 hBN films grown on as deposited Mo catalysts  45-47
    3.3.3 hBN films grown on as deposited Ni-Mo catalysts  47-49
  3.4 Annealing effects of hBN films  49-58
    3.4.1 hBN films grown on Si substrates  50-52
    3.4.2 hBN films grown on as deposited Mo catalysts  52-54
    3.4.3 hBN films grown on as deposited Ni-Mo catalysts  54-57
    3.4.4 The cross-section of hBN films  57-58
  3.5 Summary  58-59
CHAPTER 4 PHOTOLUMINESCENCE  59-63
  4.1 Photoluminescence property of hBN film  59-62
  4.2 Summary  62-63
Conclusion  63-64
References  64-69

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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