激光溅射沉积制备的氮化镓表面形貌分析

激光溅射沉积制备的氮化镓 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面形貌 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 (年 月2007 6 J un. 2007自 然 科 学 山 东 东 范 大 学 学 东 )版Vol . 22 No . 第 22 卷 第 2 2(Journal of Shandong Normal UniversityNatural 期 激光溅射沉溅制溅的氮化溅表面形貌分 东倩东东魏东起董东瑞滕东云程东福 ( )山东东范大物理东子科学与学学院 ,250014 ,东南 ?第一作者 23 东 ,女 ,东士生 () ( ) 摘要 利用激光东射东工东室下沉温在 n 型 Si 111基片上东东化沉氮东 GaN薄膜 ,并用原子力东微东东其表面形貌东行东 ,,. - ,量 分析了薄膜生东的东力东学程 东东其表面具有自射分形特仿征通东东高度 高度相东函的分数析 得出在此工东件条下 αβGaN 薄膜生东界面表东出明东的东东和空东东度特性 ,并且表东出东东明东的东粒特征 ,粗度糙指数 随着生东东东的增加逐东 增大 ,生东指数 在 0 . 42 左右 ,薄膜生东在短东东内可以用 Kuramoto - Sivashinsky 模型描来述 ,当生东东东东东东 ,可以用 Mullins .东散模型描来述 ; ; ; - 溅溅溅 激光东射沉东 氮化东薄膜 原子力东微东 高度 高度相东函数 中溅分溅号 O 434 . 12 1 ,2 ( ) GaN氮化东 独广特的性东使东东 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 具有泛的东用价东 . 可泛地东用在高亮度东一东二广极管 ,东光激光器 ,紫外探东器等东域 . 另外 ,氮化东东具有东子漂移东和度高 ,介东常小数 ,东东性能好 ,东光效率高 ,抗东射能力强和高化东温学定 性好等特点 ,因此东可以东用于抗东射它 、高东 、高大功率东子器件温 ,并且在微东子和光东子东域中具有十分东的在广潜东 .用东东 3 ,4 ( ) () ( ) 目前 GaN 薄膜已东通东化相东法学气沉 CVD,反东分子束外延法 MBE,东化物相外气延 HVPE等制东方法,成功 () 地东在沉 Si 、SiC 和东石宝 AlO0001等东底上 ,但是都要求在东高的度下东行温 ,东东东的高东东底或东温将会埋东造成东2 3 . ,,,东东 由于受高能激光束的东东 靶来很材东射出的分子或原子具有高的能量 有助于低东高东量薄温沉膜 从脉冲沉而激光5( ) 东 PLD方法东低制东高东量的温 GaN 薄膜提供一东可能 . 与其他薄膜制东技东相比 ,脉冲沉激光东技东具有以下东点 :激光束功率密度高极 可蒸东任何高熔点材料 由于度高温 加东迅速 化合物材料中的各成分能同东快速蒸东材料的成分个几,;,, 率相同 ;光束的光斑可以做的小很 ,因而只是使蒸东材料局部受东熔化 ,大大少了东膜东的东减染 ,同东 PLD 工东东东 ,灵活 性强 ,可通东控制陶瓷材的成分和东的大小靶气 ,沉东出理想化东量比的薄学膜 ,特东适用于东金化物薄膜和多东沉属氧分 东外延薄膜异 6 ( ) ,SPM,,,,东生东界面形貌的东定常用的方法有接法触 如东描探东东微东 东廓东等 非接触法 如光散射 高分辨率低能 ( ) () 东子衍射 HRL EED等 . 在东描探东东微东中原子力东微东 AFM使用最东东东方便 ,东用也最东广泛 . 本文利用 PLD 方法在 不同的生东东东下制东 GaN 薄膜 ,研究 GaN 薄膜表面形貌着东东的演化特性随 ,并来使用原子力东微东东利用 PLD 方法制东的不同生东东东件下的条 GaN 薄膜的形貌特征东行东量 ,薄膜的形貌特征采用自射分形模仿型中的东准偏差粗糙度 w ,横向 相东东ξα度 ,生东指数 来表述 . 东果表明 ,薄膜生东在短东东可以内用 Kuramoto - Sivashinsky 模型描来述 ,当生东东东东东,Mullins .东 可以用 东散模型描述来 1 薄膜溅品的制 溅 我东东东所用的激光器东 Nd : YAG 脉冲激光器 ,东出波东东 1 064 nm ,脉东东 10 ns ,东生东率东 10 Hz ,东能量脉冲东 200 mJ ,脉冲激光器东生的高功率激光束通东聚焦透东聚集后以脉冲 45 ?角作用于材的表面靶 ,使材表面东生高熔东靶温 ,将材料 表面化东打学4 ( ) 断 ,东而东生高高东等子温离体 T ?10K,东东等子东东定向局域等东东膨东东离温射 ,形成等子离体羽东 , 与基片表面相互作用 ,最东在基片上东形成薄膜沉 .- 5 () ,Si 111,,4 cm. 9 10 pa ,靶材是东东高东化东固氮体靶 东底东 n 型 片 东底面平行放与靶置 东距东东 系东空抽真到 × () 充入高东氮气 99. 99 %使背景东东到气达 6. 5 pa ,东了究薄膜表面形貌着不同东东东的演研随沉化情况 ,我东在室件下温条重 东上述东东东程 ,薄膜东东东分东取东沉 2 ,4 ,6 ,8 ,10 ,12 ,15 ,18 ,21 min ,制东出 9 东不同东东东的化东薄膜东沉氮品. 2 薄膜生溅界面的原子力溅微溅溅 量 我东东制东的不同东东件下的化东薄膜条氮东品用原子力东微东东行了表面形貌的东量 ,所用的原子力东微东东 Park 公司 AutoProbe ( ) () afCP 型 ,采用接模式触 ,探东的东型东 UL06 ,东探东东尖直东径 10 nm ,东角东 10?. 东 1 , 分东东出了原子 力东微东下东东分东东 t = 2 μ,4 ,6 ,8 ,15 ,18 min 东制东的薄膜表面形貌 . 东像东描成像范东东 5 ×5 m ,成像据点东均数东 256 256× . ()3 国学家自然科基金东助东目 106744085收稿日期 :2006 - 11 - 26 从 东 中 1 可 以 看 出 薄 膜 形 貌 随 东 东 的 演 化 情 况 . 首 先 , 各 个 不 同 生 东 东 东 的 薄 膜 表 面 上 不 均 地匀 分 布 着 尺 寸 大 , 小不 同 的 东 粒 东 大 尺 寸 东 粒 的 周 东东 粒 密 度 东 大 ; , 其次 随 着 东 东 的 增加 , 薄 膜 表 面 形 貌 也 东 生 明 东 东 东 1 GaN 薄膜不同生东东东的表面形. 化 一 是 不 同 大 小(() ( ) ) ( ) () 像 东 1 a, b可以看出 ,除了少东大的东粒外数 ,基底表面分布着东多东小的东粒 ,东 1 b, a的东东相比 ,除了稍大的东粒东大之外 ,中等大小的东粒也明东增多 . 就其成因而言 ,我东东东激光脉冲光束作用到材表面靶之后 ,东射出具有一定大小 分布 () 和一定东能分布的粒子 ,东些粒子东东保东气体 高东氮气之后 ,又以不同的初东能作用到基底表面 ,一部分粒子通东与碰离基底的撞东基底 ,另一部分粒子东吸附于基底表面 ,东些吸附于基底表面的粒子由于东能的不同 ,表面移能力也迁不 相同 . 东东 ,激光光束东射出的大小不同的粒子 ,东致最初基底上小东粒的沉东 ; 而粒子东能引起的东粒的迁移 ,东东致粒子 ( ) () b. 1 a,,,的聚东 东 和 在基片上小东粒密度东小的情下况 便有稍大的东粒形成 东表明东射出的小东粒有东大的移东迁能 ,.尺寸大的东粒有东强的吸附能力 使得更多的小东粒聚集在了大东粒的周东 随着东东的增东 ,大量的粒子东到薄膜的表面沉 ,如果后入射的粒子以东大的东能接到基底表触面 ,一方面造成基会底 上原有的小东粒在碰脱离撞东程中基片 ,使得小东粒密度相东东 小 ;另脱离一方面也东致部分大的东粒基片 ,以及是吸附在 ,,. 大东粒上的东小东粒东大东脱离 粒 从而引起表面的局域东落 形成具有一定分形东的薄膜表构面 东东后入射粒子东先入 ,,.射粒子的东东脱附作用 也着基片上东粒的不地聚集和增大将随断 大东粒目的逐东增多而数减弱 东东 ,脉冲来沉激光光束东射出的粒子东在基底表面 ,逐东形成了如东 1 中所示的具有明东的分形东的薄膜表构面 . 东 东分形东构由东 2 也可明东看出 ,东 2 中东薄膜生东东东东 t = 2 ,8 min 东表面的一东横截面高度起伏 ,从东中我东也可以看,,,出 在一定的尺度范东之内 在大尺度的高度起伏或东粒上有小尺度的东粒或高度东制 且东些小的东粒或高度东制无特征 ,.尺度大小 具有一定的分形东构 3生溅界面自仿射分形溅构的描述及生溅模型溅溅 利用自射分形模型东仿来 GaN 薄膜的生东东行描述 ,东薄膜生东界面的东东量东出分析参 . 东表面东东东特性的一构东 东东描述是薄膜 ρ( ) 表面的高度 —高度相东函数 H r , r + ,其定东东 2 2 ()1ρρρ( ) ( ) ( ) ( = < [ - ]H r , r + h r + h r> = 2 w[ 1 - R r , r + ] h,(ρ) ρ其中 R东表面的自相东函数 ,参两考平面上点 r 和 r +东表面高度乘东的东一化的平均 ,即h 2()(ρ) ( ) ( ρ) 2R= < h rh r +> / w ,h ( ) ρ其中 < > 表示系东平均 , h r表示生东界面上平面坐东东 r 位置东的高度 . 东相东的空东东隔 . 在以下的运算中 ,我东取平,7 9 ( ) 均高度东的平面东参考平面 > = 0. ,即取 < h r根据 Sinha S K提出的自射分形表面模仿型 ,东于薄膜生东界面上相东位 置 ρρρ() () 差东 的点两 ,表面的自相东函数 R和高度 - 高度相东函数 H 可分东用下面的唯象函表数来示h 2α2()(ρ) ( ρξ) 3R= w exp [ - /] ,h 46(第 卷22 山 东 东 范 大 学 学 东 自 然 科 学 )版α 2 2(ρ) ρξ) ( () = 2 w1 - exp - /] ,4H αα其中 东表面的局部域粗度指区糙数 描述生东界面局部域的粗化区糙程度 东越小 表示表面局部域高度起区伏越东烈 ,. ,, ξξα分形东也数越高.东向相东东度横 ,描述表面高度相东点两之东的最大距离 . 参量 , w ,可以定量地描述不同东东薄膜表 面的演化 ,并沉学能反映出薄膜东东程中的东力东程 . 2( ) ()) ( w L , t=5< h - < h > > ,L L [10 ] ( ) 东材料界面的高度 h = h r , t在生东东程中是空东和东东东化的函随数 ,称东表面的东准偏差粗糙度 ,描述表面的高度起. < > L .伏 其中 表示在生东界面上向局域范东横 内的系东平均 L 东于生东界面是各向同性的表面 ,在东算高度 - 高度相东函数东 ,可以沿水平方向做相东 . 用原子力东微东东量薄膜表 面形貌可以得到表面高度的散据离数 ,数据点东东 256 ×256. 东于第 I 条水平东描东 ,高度 - 高度相东函东数 N - m12 ( ) ()? [ H i , md=6- h ],i , j + m i , jN - m j = 1h( ) ( ) 其中 d 东东描东上相东散两个离数据点之东的距离 , h, h分东东原子力东微东东像上坐东点 i , j + m , i , j东的高i , j + m i , j . ,256 ,- 度 东于一幅东像 在东向东 条东取平均 高度 高度相东函东数 255()( ) ( ) 7H md= H i , md,?i = 0 东 了 东 大 可 以 平 均 的 点 数 , 东 于 每 一 个 薄 膜 东 品 , 取 四 幅 . 东 像 做 平 均 在 上 述 ,m = 100. 东算中 取 东 3 t = 2 ,中东生东东东 4 ,8 ,12 ,18 min 东表面 的高 度 - 高 度 相 东 2 GaN 薄膜生东东东 t = 2 ,8 min 的表面的一东横截面高度起伏东 函 2 . - 数 曲 东 在 东 数 ρρρρα() () () 4H东于常量 ,东公式与 的东果相一致 ,并当且 东大东 , H 东近的常量即东 2 w,当 东小东 ,直东的斜率东 2. 此 ξ() 外 ,东折点的位置东东向相东东度即横 . 如东 3 中 ,由于高度 - 高度相东函已东偏了数离 4式的东化东律 ,不能通东全段东合 的方法 α(ρ) (ρ) ρξαα来糙数求粗度指 . 我东通东东 ln[ H - ln 在 < <区内域的直东东合得,然后用已东东合出的 和求出的东 准偏差粗度糙 w β 1z Π() ξ( ) ξξ( ) β按照 4式东高度 - 高度相东函做数横全段东合得到向相东东度 . w 和 t 东足东系 w t ? t,和 t 东足东 系t? t,东生东指 ξβ数 , z 东东东东度指数 . 因此 ,东 A FM 东得的据东行东东和分析数 ,分东东 w 和东行据东合数 ,即学参可 得到描述薄膜东力生东的量 , z . αβξ最东我东得出粗度糙指数 在 0. 72,0. 93 范东内 ,且着东东的增加逐东增随大 ,生东 指数 在 0. 42 左右 , w 与也逐东东大 . 初始9 ,11 东东范参数东符合 Kuramoto - Sivashinshy 模型 ,之后与 Mullins 东散模型相符 合 . 因此 , GaN 薄膜在不同生东东东可以分东用 Kuramoto - Sivashinsky 模型和 Mullins 东散模型描述来 ,其方程形式东 λ5 h 242 υη=A h - k A h + | A h| + ,()85 t 2 5 h4η= - k A h + ,()95 t 2 2 η其中 东薄膜生东东程中固有的随达噪声机到基底的 , Ah 和| A h| 表明后入射的原子或原子东东先前东在薄膜表面沉的4 原子或原子东的东东脱附效东 , k Ah 表示沉东在基底表面的原子或原子东的东点沉附近局部区内域的东散效东 , k 正比于 薄膜表面 ρ() 的东散系数 ,随着东东的增东 ,东东脱来附效东越越弱 ,东我东前面的分析相与一致 . 另外 ,从东 3 中东可以看出 , H 在短程域区 ρξ() 〈〈内没叠有重 ,随东东而改东 ,界面演化东程东非东的静 . 溅4溅 ( ) () GaN本文利用激光东射东工东室下在沉温 n 型 Si 111基片上东东化东沉氮 薄膜 ,薄膜生东界面东各向同性的自射分形仿表面 . 各不同生东东东的薄膜表面上不均地分个匀布着尺寸大小不同的东粒 ,东大尺寸东粒的周东东粒密度东大 ,在生东东 东东短 ,小东粒密度小的情下很况 ,就已东出东部分东大尺寸东粒 ; 随着东东的增加 ,薄膜表面形貌也东生明东东化 . 一是不 同大小东粒的密度均逐东增加 ,二是东粒尺寸逐东增大 ,东大尺寸东粒越来越多 ,并且出东了更大尺寸的东粒 . 通东东高度 - α高度相东函的分析得出数 粗度糙指数 在 ,,0. 72 0. 93 范东内 , 且着东东的增随加 逐 东 增 大 , 生 东 βξ指 数 在 0. 42 左右 , w 与也逐东东大 ,初始东东参9 ,11 Kuramoto - Sivashinsky , 数范东符合 模型 之后 与 Mullins 东散模型相符合 . 因此 , GaN 薄膜在不同生东 东东可以分东用 Kuramoto - Sivashinsky 模型和 Mull2 ins 东散模型描来述 . 需要指出的是 , 在利用激光东 GaN ,射东方法制东沉 薄膜的东程中 大东粒的聚东 作用和小东粒的移作用非常明迁东 ,东是利用东东 方法 制东出来的 GaN 薄膜表面在生东东东 东 短 的 .情下况就有一些东大尺寸东粒存在的主要原因 参考文献5 Sun D Z. Exotic family of semiconductor material - brief 1in2东 3 GaN 薄膜不同生东东东表面的高度 - 高度相东函数troduction to GaN based material J . Physics , 2001 , () 730 :413,419() 2Strite S ,Morkoc H. GaN ,AIN and InN :a reviewJ . J Vac Sci Technol ,B ,1992 ,10 4:1 237,1 266 ( ) () ,2006 3,. J . ,24 4:4346东莉莉 薛成山东射后化法制东化东薄膜技东东氨氮述山东东范大学东 自然科版学, ( ) () 4,. J . ,2007 ,22 1:6970曹玉萍 李玉国氧体与化东东米粉的制东表征山东东范大学学东 自然科版学, () 5Chen C Z ,Bao Q H , Yao S S. Puled laser deposition and its applicationJ . Laser Technology ,2003 ,27 5:443446, () 6Notz R ,Ziemann P , Koslowski Berndt . Epitaxial growth of iridium on strontium - titanate 001studied by in situ scanning tunneling microscopyJ . Surface() Sci ,2002 ,496 3:153,1597() Sinha S K ,Sirata E B , Garoff S ,Stanley H B. X - ray and neutron scattering from rough surfacesJ . Phys Rev B ,1988 ,38 4:2 2972 331,8Yang H N ,Zhao Y P ,Wang G C. Noise - induced roughening evolution of amorphous Si films growm by thermal evaporation J . Phys Rev Lett ,() 1996 ,76 20:3 774,3 7777 9Drotar Jason T ,Zhao Y P ,Lu T M. Numerical analysis of the noisy Kuramoto - Sivashinsky equation in 2 + 1 dimensionsJ . Phys Rev E ,1999 ,76 ( ) 8:1 304,1 30710Family F , Vicsek T. Scaling of the active zone in the Eden process on percolation networks and the ballistic deposition model J . Phys A ,1985 ,18 () 2:75 ,8111 () ,. Kuramoto - Sivashinsky Karda - Parisi - Zhang J . ,2003 ,52 11:2 7432 749东东基 黄立东与 模型中生东界面分形特性研究物理学东 , MO RP HOLO GY ANALYSIS OF Ga N THIN FILM PREPARED BY PUL SED L ASER D EPOSITIO Zou QianYang Wei XianqiDong Teng ShuyumCheng Chuanfu ChengQingrui ( College of Physics and Electronics ,Shandong Normal University ,250014 ,Jinan ),China () AbstractWe prepare GaN thin films growing on n - Si 111substrates by the method of pulsed laser deposition ( ) ( ) PLD. The surface morphology of the films is mearsured by use of atomic force microscopy AFM. Morphology of interface exhibits characteristics of self - affine fractal and can be described by self - affine fractal αβξmodel . The roughness exponent ,the growth exponent the lateral correlation length and the interface width w are obrained by fitting of the height - height correlation functions of the thin films. And the sputtering growth process can be described by Kuramoto - Sivashinsky equation in short time and by Mullins equation in long time .Key wordspulsed laser deposition GaN thin film atomic force microscopy height - height ;;;correlationfunction