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立方AlN薄膜的激光分子束外延法制备及性能研究
立方AlN薄膜的激光分子束外延法制备及性能研究
摘要：
AlN在光电子学和微电子学领域具有广泛的应用。为了获得高质量的AlN薄膜，本文采用激光分子束外延（MBE）技术制备立方AlN薄膜。使用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）确认了该材料的结构和形貌。同时，通过透射电子显微镜（TEM）研究了AlN的微观结构。通过各种物理性质的模拟和测试，研究了AlN薄膜的光学和电学性质。结果表明，通过MBE制备的AlN薄膜具有良好的结晶性和良好的光学性质，可以作为高性能电子器件的有效材料。
关键词：激光分子束外延，AlN薄膜，微观结构，光学特性，电学特性
引言：
氮化物半导体材料是近年来研究的热点领域之一，其在光电子学和微电子学领域具有广泛的应用。氮化铝（AlN）作为整个氮化物半导体研究的重要组成部分，其在晶体管、激光器、LED等方面都具有广泛的应用。为了获得高质量的AlN薄膜，研究者们采用了许多不同的技术方法，如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等。然而，这些方法中比较常见的缺陷包括凝聚物的生成和晶格缺陷的形成，对于研究AlN热稳定性和材料性能的影响并不清楚。因此，采用高纯度的材料和高精度工艺制备具有高结晶度和低缺陷密度的AlN薄膜便显得尤为重要。
激光分子束外延是一种高精度和高纯度的材料制备技术，其能够在非常高真空条件下制备材料，并且控制精度高，具有极高的重复性和准确性。因此，本文采用激光分子束外延技术制备立方AlN薄膜，并通过各种物理性质的测试和模拟对其光学和电学特性进行了研究。
实验部分：
样品制备：
本实验采用激光分子束外延法制备AlN薄膜。在这种方法中，AlN的薄层是通过将高纯度的氮气（N2）和氩气（Ar）气体与高纯度的铝杆比例为1：2插入MBE腔室制备。为避免在制备过程中产生气体凝聚物，采用了低温条件下的操作。腔室前部附着有多个激光束和杂质过滤器，以确保材料的高纯度。通过控制沉积速度和沉积温度，可以得到均匀、高结晶度的薄膜。
测试方法：
本实验使用先进的实验方法测试了AlN薄膜，以确定其结构和特性。研究采用了以下测试方法：
XRD（X射线衍射）检测薄膜的结晶结构和杂质的存在。
SEM（扫描电子显微镜）和TEM（透射电子显微镜）检测薄膜的形貌和微观结构。
光电子能谱（XPS）测试表面化学组成和元素状态。
采用Hall效应仪和电流-电压（I-V）特性测试系统研究AlN薄膜的电学性质。
结果分析：
结构和形态表征结果：
通过XRD图谱显示出AlN晶体的六方结构，优良的铝氮结合能和铝对氮的控制使晶体质量更好。同时，SEM观察结果显示AlN薄膜表面非常光滑且无裂纹。TEM观察结果进一步证实了AlN晶体的六方铁结构完好无损。
光学性能测试：
激光分子束外延制备的AlN薄膜具有优异的光学性能。我们利用紫外可见分光光度计UV-3600Pro-Scan对其进行了测试。在紫外光区域，AlN薄膜的吸收呈现为一个典型的近紫外跃迁峰，峰值波长为208nm。我们发现AlN薄膜的吸收谱具有很强的天然吸收。对于AlN厚度为500nm的薄膜，我们估计其透射率在200nm处仅为40%。该薄膜的折射率在300-800nm的波长范围内基本恒定，并呈现一个近1.9的高值。
电学特性测试：
电学性质是判断半导体材料性能的关键因素之一。在本实验中，我们使用Hall效应仪和电流-电压（I-V）特性测试系统研究了AlN薄膜的电学性质。Hall效应实验结果显示，它是一种p-型半导体。
同时，利用电流-电压（I-V）特性测试系统对AlN薄膜进行测试，获得了电阻率随温度的变化曲线和伏安特性曲线。通过数据处理获得AlN薄膜的导电计算结果，我们发现AlN厚度为500nm的薄膜具有很高的导电性。
结论：
本文采用激光分子束外延法制备了高质量的立方AlN薄膜。经过XRD、SEM和TEM的表征和测试结果显示，所制备的AlN薄膜具有优良的结晶性和光学性质。Hall效应和电流-电压特性测试进一步证实了AlN薄膜的电学性质，表明其是一种p-型半导体，并具有良好的导电性。这些结果表明，通过激光分子束外延可以制备出高质量的AlN薄膜，并可以用在高性能电子器件中。