射频磁控溅射制备氮化锌薄膜的椭圆偏振光谱研究

陈仁刚; 邓金祥; 陈亮; 孔乐; 崔敏; 高学飞; 庞天奇; 苗一鸣

doi:10.7498/aps.63.137701

摘要

在不同的衬底温度下，使用反应射频磁控溅射法，在玻璃衬底上制备了氮化锌薄膜样品. 用X 射线衍射仪、原子力显微镜和椭偏仪对薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性质进行了表征分析. 薄膜的晶粒尺寸会随着衬底温度的升高先增大后减小，在200 ℃时薄膜的结晶性最好. 用椭偏仪测试样品，建立物理模型计算出氮化锌薄膜在430–850 nm范围内的折射率和消光系数等光学参数. 利用Tauc公式计算出氮化锌薄膜的光学带隙在1.73–1.79 eV之间.

关键词:

Abstract

Zinc nitride (Zn3N2) thin films were deposited on glass substrates by reactive radio-frequency magnetron sputtering from a pure Zn target in nitrogen-argon ambient. X-ray diffraction analysis indicates that the films just after the deposition are polycrystalline with a preferred orientation of (400). With increasing substrate temperature, the grain size in zinc nitride film increases from 26.5 nm (100 ℃) to 33.6 nm (200 ℃), and then decreases to 17.8 nm (300℃). Atomic force microscopy reveals that the film surface morphology is dependent on the substrate temperature. With reflective spectroscopic ellipsometry, the ellipsometric parameters ψ and Δ of Zn3N2 films are measured. Then, a new model for Zn3N2 films is built. With the Tauc-Lorentz dispersion formula, the ellipsometric data are fitted, and both the thickness and optical constants (refractive index and extinction coefficient) of the films are obtained at a wavelength of 430–850 nm. The optical band gap is calculated from the extinction coefficient by using the Tauc formula, and a direct band gap of 1.73–1.79 eV is obtained.

Keywords:

作者及机构信息

1.
北京工业大学应用数理学院, 北京 100124

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：60876006，60376007）和北京市教育委员会科技计划重点项目（批准号：KZ201410005008）资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Applied Sciences, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 60876006, 60376007), and the Science and Technology Key Project of Beijing Education Committee, China (Grant No. KZ201410005008).

参考文献

[1]	Jiang N, Georgiev D G, Jayatissa A H 2013 Semicond. Sci. Technol. 28 025009
[2]	Futsuhara M, Yoshioka K, Taki O 1998 Thin Solid Films 322 274
[3]	Zong F J, Ma H L, Du W, Ma J, Zhang X J, Xiao H D, Ji F, Xue C S 2006 Appl. Surf. Sci. 252 7983
[4]	Nakano Y, Morikawa T, Ohwaki T, Taga Y 2006 Appl. Phys. Lett. 88 172103
[5]	Wang C, Ji Z G, Liu K, Xiang Y, Ye Z Z 2003 J. Cryst. Growth 259 279
[6]	Suda T, Kakishita K 2006 J. Appl. Phys. 99 076101
[7]	Núñez C G, Pau J L, Ruíz E, Piqueras J 2012 Appl. Phys. Lett. 101 253501
[8]	8Aperathitis E, Kambilafka V, Modreanu M, 2009 Thin Solid Films 518 1036
[9]	Bhattacharyya S R, Ayouchi R, Pinnisch M, Schwarz R 2012 Phys. Status Solidi C 9 469
[10]	Jayatissa A H, Wen T, Gautam Madhav 2012 J. Phys. D: Appl. Phys. 45 045402
[11]	Zhang Z, Xie E Q, Fu Y J, Li H, Shao L X 2007 Chin. J. Semicond. 28 1173
[12]	Yang T L, Zhang Z S, Li Y H, Lv M S, Song S M, Wu Z C, Yan J C, Han S H 2009 Appl. Surf. Sci. 255 3544
[13]	Jiang N K, Georgiev D G, Wen T, Jayatissa A H 2012 Thin Solid Films 520 1698
[14]	Feng D, Feng S T 2003 Phys. 32 434 (in Chinese) [冯端, 冯邵彤 2003 物理 32 434]
[15]	Partain D E, Williams D J, O'Keeffe M 1997 J. Solid State Chem. 132 56
[16]	Su M Y Y (translated by Liu D Q, Chen S X) 1982 Handbook of Silicate (Beijing: Light Industry Press) pp742-745 (in Chinese) [素木洋一著(刘达权, 陈世兴译) 1982 硅酸盐手册 (北京: 轻工业出版社) 第742–745页]
[17]	Qiu D J, Wu H Z, Yang A L, Xu X L 2000 Chin. J. Mat. Res. 14 485 (in Chinese)[邱东江, 吴惠祯, 杨爱龄, 徐晓玲 2000 材料研究学报 14 485]
[18]	Xiao J R, Xu H, Li Y F, Li M J 2007 Acta Phys. Sin. 56 4169 (in Chinese) [肖剑荣, 徐慧, 李燕峰, 李明君 2007 物理学报 56 4169]
[19]	Shao S Y, Chen J F, Zhao Y R, Feng J Q, Gao P, 2012 J.S. Chin. Nor. Univ. Nat. Sci. Ed. 44 66 (in Chinese) [邵士运, 陈俊芳, 赵益冉, 冯军勤, 高鹏 2012 华南师范大学学报(自然科学版) 44 66]
[20]	Chen L Y, Qian Y H 1995 Phys. 24 75 (in Chinese) [陈良尧, 钱佑华 1995 物理 24 75]
[21]	Liao N M, Li W, Jiang Y D, Kuang Y J, Qi K C, Li S B, Wu Z M 2008 Acta Phys. Sin. 57 1542 (in Chinese) [廖乃镘, 李伟, 蒋亚东, 匡越军, 祁康成, 李世彬, 吴志明 2008 物理学报 57 1542]
[22]	Wang X D, Shen J, Wang S Z, Zhang Z H 2009 Acta Phys. Sin. 58 8027 (in Chinese) [王晓栋, 沈军, 王生钊, 张志华 2009 物理学报 58 8027]
[23]	Jobin Yvon 2008 Spectrocopic Ellipsometry User Guide p266
[24]	Zhou Y, Wu G S, Dai W, Li H B, Wang A Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 2356 (in Chinese) [周毅, 吴国松, 代伟, 李洪波, 汪爱英 2010 物理学报 59 2356]
[25]	Yang S H, Li H Q, Zhang Y L, Mo D, Tian H Y, Luo W G, Pu X H, Ding A L 2001 J. Inorg. Mat. 16 305 (in Chinese) [阳生红, 李辉遒, 张曰理, 莫党, 田虎永, 罗维根, 蒲兴华, 丁爱丽 2001 无机材料学报 16 305]
[26]	Sun X L, Hong R J, Qi H J, Fan Z X, Shao J D 2006 Acta Phys. Sin. 55 4923 (in Chinese) [孙喜莲, 洪瑞金, 齐红基, 范正修, 邵建达 2006 物理学报 55 4923]

施引文献

[1]	Jiang N, Georgiev D G, Jayatissa A H 2013 Semicond. Sci. Technol. 28 025009
[2]	Futsuhara M, Yoshioka K, Taki O 1998 Thin Solid Films 322 274
[3]	Zong F J, Ma H L, Du W, Ma J, Zhang X J, Xiao H D, Ji F, Xue C S 2006 Appl. Surf. Sci. 252 7983
[4]	Nakano Y, Morikawa T, Ohwaki T, Taga Y 2006 Appl. Phys. Lett. 88 172103
[5]	Wang C, Ji Z G, Liu K, Xiang Y, Ye Z Z 2003 J. Cryst. Growth 259 279
[6]	Suda T, Kakishita K 2006 J. Appl. Phys. 99 076101
[7]	Núñez C G, Pau J L, Ruíz E, Piqueras J 2012 Appl. Phys. Lett. 101 253501
[8]	8Aperathitis E, Kambilafka V, Modreanu M, 2009 Thin Solid Films 518 1036
[9]	Bhattacharyya S R, Ayouchi R, Pinnisch M, Schwarz R 2012 Phys. Status Solidi C 9 469
[10]	Jayatissa A H, Wen T, Gautam Madhav 2012 J. Phys. D: Appl. Phys. 45 045402
[11]	Zhang Z, Xie E Q, Fu Y J, Li H, Shao L X 2007 Chin. J. Semicond. 28 1173
[12]	Yang T L, Zhang Z S, Li Y H, Lv M S, Song S M, Wu Z C, Yan J C, Han S H 2009 Appl. Surf. Sci. 255 3544
[13]	Jiang N K, Georgiev D G, Wen T, Jayatissa A H 2012 Thin Solid Films 520 1698
[14]	Feng D, Feng S T 2003 Phys. 32 434 (in Chinese) [冯端, 冯邵彤 2003 物理 32 434]
[15]	Partain D E, Williams D J, O'Keeffe M 1997 J. Solid State Chem. 132 56
[16]	Su M Y Y (translated by Liu D Q, Chen S X) 1982 Handbook of Silicate (Beijing: Light Industry Press) pp742-745 (in Chinese) [素木洋一著(刘达权, 陈世兴译) 1982 硅酸盐手册 (北京: 轻工业出版社) 第742–745页]
[17]	Qiu D J, Wu H Z, Yang A L, Xu X L 2000 Chin. J. Mat. Res. 14 485 (in Chinese)[邱东江, 吴惠祯, 杨爱龄, 徐晓玲 2000 材料研究学报 14 485]
[18]	Xiao J R, Xu H, Li Y F, Li M J 2007 Acta Phys. Sin. 56 4169 (in Chinese) [肖剑荣, 徐慧, 李燕峰, 李明君 2007 物理学报 56 4169]
[19]	Shao S Y, Chen J F, Zhao Y R, Feng J Q, Gao P, 2012 J.S. Chin. Nor. Univ. Nat. Sci. Ed. 44 66 (in Chinese) [邵士运, 陈俊芳, 赵益冉, 冯军勤, 高鹏 2012 华南师范大学学报(自然科学版) 44 66]
[20]	Chen L Y, Qian Y H 1995 Phys. 24 75 (in Chinese) [陈良尧, 钱佑华 1995 物理 24 75]
[21]	Liao N M, Li W, Jiang Y D, Kuang Y J, Qi K C, Li S B, Wu Z M 2008 Acta Phys. Sin. 57 1542 (in Chinese) [廖乃镘, 李伟, 蒋亚东, 匡越军, 祁康成, 李世彬, 吴志明 2008 物理学报 57 1542]
[22]	Wang X D, Shen J, Wang S Z, Zhang Z H 2009 Acta Phys. Sin. 58 8027 (in Chinese) [王晓栋, 沈军, 王生钊, 张志华 2009 物理学报 58 8027]
[23]	Jobin Yvon 2008 Spectrocopic Ellipsometry User Guide p266
[24]	Zhou Y, Wu G S, Dai W, Li H B, Wang A Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 2356 (in Chinese) [周毅, 吴国松, 代伟, 李洪波, 汪爱英 2010 物理学报 59 2356]
[25]	Yang S H, Li H Q, Zhang Y L, Mo D, Tian H Y, Luo W G, Pu X H, Ding A L 2001 J. Inorg. Mat. 16 305 (in Chinese) [阳生红, 李辉遒, 张曰理, 莫党, 田虎永, 罗维根, 蒲兴华, 丁爱丽 2001 无机材料学报 16 305]
[26]	Sun X L, Hong R J, Qi H J, Fan Z X, Shao J D 2006 Acta Phys. Sin. 55 4923 (in Chinese) [孙喜莲, 洪瑞金, 齐红基, 范正修, 邵建达 2006 物理学报 55 4923]

[1]	黄浩, 张侃, 吴明, 李虎, 王敏涓, 张书铭, 陈建宏, 文懋. SiC纤维增强Ti17合金复合材料轴向残余应力的拉曼光谱和X射线衍射法对比研究. 物理学报, 2018, 67(19): 197203. doi: 10.7498/aps.67.20181157
[2]	韩亮, 刘德连, 陈仙, 赵玉清. 氮化铬过渡层对四面体非晶碳薄膜在高速钢基底上附着特性影响的研究. 物理学报, 2013, 62(9): 096802. doi: 10.7498/aps.62.096802
[3]	潘惠平, 成枫锋, 李琳, 洪瑞华, 姚淑德. 蓝宝石衬底上生长的Ga2+xO3-x薄膜的结构分析. 物理学报, 2013, 62(4): 048801. doi: 10.7498/aps.62.048801
[4]	李佳, 房奇, 罗炳池, 周民杰, 李恺, 吴卫东. Be薄膜应力的X射线掠入射侧倾法分析. 物理学报, 2013, 62(14): 140701. doi: 10.7498/aps.62.140701
[5]	徐晓明, 苗伟, 陶琨. X射线衍射多相谱中某一物相点阵参数的直接求解方法. 物理学报, 2011, 60(8): 086101. doi: 10.7498/aps.60.086101
[6]	唐军, 刘忠良, 任鹏, 姚涛, 闫文盛, 徐彭寿, 韦世强. Mn掺杂SiC磁性薄膜的结构表征. 物理学报, 2010, 59(7): 4774-4780. doi: 10.7498/aps.59.4774
[7]	李九生, 李向军. 玉米油光学参数的太赫兹波精确测定研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5805-5809. doi: 10.7498/aps.58.5805
[8]	苏海桥, 薛书文, 陈猛, 李志杰, 袁兆林, 付玉军, 祖小涛. Ti离子注入和退火对ZnS薄膜结构和光学性质的影响. 物理学报, 2009, 58(10): 7108-7113. doi: 10.7498/aps.58.7108
[9]	李永华, 刘常升, 孟繁玲, 王煜明, 郑伟涛. NiTi合金薄膜厚度对相变温度影响的X射线光电子能谱分析. 物理学报, 2009, 58(4): 2742-2745. doi: 10.7498/aps.58.2742
[10]	李洪涛, 罗毅, 席光义, 汪莱, 江洋, 赵维, 韩彦军, 郝智彪, 孙长征. 基于X射线衍射的GaN薄膜厚度的精确测量. 物理学报, 2008, 57(11): 7119-7125. doi: 10.7498/aps.57.7119
[11]	廖乃镘, 李伟, 蒋亚东, 匡跃军, 祁康成, 李世彬, 吴志明. 椭偏透射法测量氢化非晶硅薄膜厚度和光学参数. 物理学报, 2008, 57(3): 1542-1547. doi: 10.7498/aps.57.1542
[12]	牛睿祺, 董慧茹, 王云平. 非线性光学晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐的制备与性能研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4235-4241. doi: 10.7498/aps.56.4235
[13]	谢自力, 张荣, 修向前, 刘斌, 朱顺明, 赵红, 濮林, 韩平, 江若琏, 施毅, 郑有炓. InN薄膜的氧化特性研究. 物理学报, 2007, 56(2): 1032-1035. doi: 10.7498/aps.56.1032
[14]	吕惠民, 陈光德, 颜国君, 耶红刚. 低温条件下单晶氮化铝纳米线生长机理的研究. 物理学报, 2007, 56(5): 2808-2812. doi: 10.7498/aps.56.2808
[15]	钦佩, 娄豫皖, 杨传铮, 夏保佳. 分离X射线衍射线多重宽化效应的新方法和计算程序. 物理学报, 2006, 55(3): 1325-1335. doi: 10.7498/aps.55.1325
[16]	冯　倩, 王峰祥, 郝　跃. Mg掺杂对AlGaN薄膜特性的影响. 物理学报, 2004, 53(10): 3587-3590. doi: 10.7498/aps.53.3587
[17]	曹　霞, 王治国, 何赛灵, 夏宇兴, 詹　黎. MgO:LiNb0.3与LiNb0.3质子交换光波导光学及结构特征的比较. 物理学报, 2004, 53(11): 3786-3793. doi: 10.7498/aps.53.3786
[18]	杜晓松, S. Hak, O. C. Rogojanu, T. Hibma. 氧化铬外延薄膜的x射线研究. 物理学报, 2004, 53(10): 3510-3514. doi: 10.7498/aps.53.3510
[19]	沈沪江, 王林军, 方志军, 张明龙, 杨莹, 汪琳, 夏义本. 金刚石薄膜的红外椭圆偏振光谱研究. 物理学报, 2004, 53(6): 2009-2013. doi: 10.7498/aps.53.2009
[20]	陈敦军, 沈波, 张开骁, 邓咏桢, 范杰, 张荣, 施毅, 郑有炓. GaN1-xPx薄膜的结构特性研究. 物理学报, 2003, 52(7): 1788-1791. doi: 10.7498/aps.52.1788

计量

文章访问数: 6166
PDF下载量: 1022
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板