Al-C-N非晶薄膜結構及導電性研究

　　為了揭示Al-C-N 非晶薄膜的結構、導電性以及它們之間的關(guān)系,本文采用非平衡磁控濺射沉積技術(shù)在Si (100) 基體上沉積得到了不同Al 含量的Al-C-N 薄膜。使用X射線(xiàn)光電子能譜儀、X射線(xiàn)衍射和高分辨透射電鏡研究了所制備薄膜的相組成和微觀(guān)結構。采用四引線(xiàn)法測定了薄膜電阻率- 溫度關(guān)系和霍爾電阻率2磁場(chǎng)關(guān)系。實(shí)驗結果表明,所制備薄膜為非晶結構,結構致密,沒(méi)有明顯的缺陷,薄膜中主要的化學(xué)鍵為C-N ,C-C 和Al-N 鍵。薄膜的成分對其導電性能有著(zhù)明顯的影響,當Al 含量較低時(shí),Al-C-N 薄膜為p 型半導體;當Al 含量較高時(shí)薄膜轉變?yōu)榻^緣體。

　　由于β-C3N4 具有優(yōu)越的晶體結構,硬度預期可超過(guò)金剛石,因此在近二十年來(lái)受到了相當的關(guān)注。另一方面,N 加入碳膜提高了石墨化溫度,還具有半導體或高阻特性 , 因此碳氮(CNx) 薄膜近年來(lái)也逐步得到了人們的重視。同時(shí),AlN 薄膜材料具有大禁帶寬度、高熱傳導率系數、較高硬度、良好的化學(xué)穩定性,以及在半導體、光電和壓電性能方面的獨特性質(zhì),在光電子器件和微電子器件上具有不可估量的應用潛力。

　　Al-C-N 三元薄膜有可能結合CN 和AlN 薄膜的優(yōu)點(diǎn),在保持高硬度、高熱傳導性和良好化學(xué)穩定性的同時(shí),可通過(guò)控制薄膜中的Al 含量實(shí)現Al-C-N三元薄膜帶隙寬度連續可調。一般認為,Al-C-N 薄膜主要含有C-N ,Al-C ,Al-N 等鍵,有較好的熱穩定性(大于600 ℃) ,與Al 摻雜類(lèi)金剛石薄膜有很大的區別 。雖然近年來(lái)Al2C2N 三元薄膜得到了一定的研究,但其成分、結構與電子學(xué)等特性關(guān)系的研究亟待進(jìn)行。

　　反應磁控濺射法由于具有沉積速率高和可控參數多等優(yōu)點(diǎn)已成為當前制備多組元薄膜最主要的方法。本實(shí)驗結合反應磁控濺射高速率和中頻濺射高效率的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)改變?yōu)R射時(shí)鋁靶和碳靶電流,大范圍地調制Al 和C 的含量,在單晶Si (100) 基體上制備出具有不同Al 和C 含量的單層Al-C-N 薄膜樣品。研究C 和Al 的含量對Al-C-N 薄膜結構和電學(xué)性能方面的影響及其規律,以期獲得Al-C-N 薄膜導電特性與結構之間的關(guān)系。

3、結論

　　采用四靶中頻非平衡磁控濺射沉積工藝,通過(guò)調節鋁靶和碳靶的濺射電流在Si (100) 基體上制備得到不同Al 含量的Al-C-N 薄膜。結果顯示:

　　(1) 所制備薄膜為非晶結構,結構致密,沒(méi)有明顯的缺陷,薄膜中主要的化學(xué)鍵為C —N ,C —C 和Al —N 鍵。

　　(2) 薄膜的成分對其導電性能有著(zhù)明顯的影響,當Al 含量較低時(shí),Al-C-N 薄膜為p 型半導體;當Al含量較高時(shí)薄膜轉變?yōu)榻^緣體。

　　(3)Al₃C₈₄N₁₃ ,Al₇C₇₉N₁₄ ,Al13C71N16和Al19C61N204種薄膜的帶隙值大約分別為1.41 , 2.33 , 6.75 和16.6 eV。300K溫度時(shí),隨著(zhù)Al 含量的增加,霍爾系數增大。Al3C84N13樣品在低溫時(shí),霍爾系數幾乎不變,當溫度達到280 K后霍爾系數明顯的增大。