等离子体辅助蒸发制备InN及其光电性能研究

孙 辉，刘 俊，陈建金，沈龙海

(沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159)

InN是一种直接带隙半导体，室温下其禁带宽度为0.64eV，具备高电子迁移率且电子有效质量较小，是制作高频与高速率晶体管、红外发光器件及红外探测器件的理想材料[1-3]。其诸多卓越性能使得InN材料备受关注。

目前合成InN薄膜的主要方法有射频溅射(Radio Freqency Magnetron Sputtering，RFMS)、氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)、金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)等[4-7]。但上述方法在制备InN薄膜时存在较多缺点，如利用HVPE方法制备的InN薄膜点缺陷密度较高[8]，MBE与MOCVD沉积速率慢且成本较高，在制备InN薄膜时由于衬底温度较高易造成铟原子聚集，故低温低成本制备InN薄膜方法一直是研究的重点。

本文通过自主搭建的射频等离子体辅助蒸发系统制备InN薄膜，避免其生长过程中InN出现分解，提高非晶基片上InN薄膜的结晶度，并在此基础上对其光电性能进行初步研究。

1 实验部分

1.1 实验主要原材料

高纯金属铟粒，粒径1～3mm，纯度99.999%，诚硕科研金属材料有限公司；氮气、氩气，纯度99.999%，大连科润特种气体有限公司。

1.2 样品制备

采用等离子体辅助蒸发系统(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)制备InN薄膜，装置示意图如图1所示。

图1 PECVD系统示意图

利用盐酸去除铟粒表面氧化层，然后将铟粒放入束源炉中；将玻璃基片放入无水乙醇中超声清洗30min，除去基片表面杂质；将两极板间距固定为10cm，关闭腔体；利用机械泵与分子泵将腔体气压抽至5×10-4Pa，束源炉温度固定在850℃；调整氮气流量为20mL/min、沉积气压为30Pa、射频功率为110W、沉积时间为5h。

1.3 样品表征

采用Hitachi D/max2500PC型X射线衍射仪(XRD)表征样品的晶体结构(Cu-Kα，λ=0.15405nm)；采用Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察InN薄膜表面和截面形貌；采用SEM配备的X射线能谱分析仪(EDS)测定样品的元素组成；采用HORIBA公司生产的iHR550型拉曼光谱仪(Raman)测量样品的拉曼光谱；采用LabRAM HR Evolution型氦镉激光器测量样品的光致发光(PL)谱；采用霍尔测量系统(Hall)测量样品的载流子迁移率；采用Lambda950型紫外-可见-红外分光光度计测量InN薄膜的光学透过率。

2 结果与分析

2.1 样品的XRD分析

制备的InN薄膜的XRD谱如图2所示。

图2 InN薄膜的XRD谱

由图2可见六方纤锌矿结构InN，未出现金属铟的衍射峰，表明制备的InN薄膜为单相纤锌矿结构。XRD图谱中位于33.2°与56.95°的衍射峰较强，分别对应InN薄膜的(101)和(103)晶面。XRD衍射峰的半高宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)是衡量结晶质量的标志之一，通常情况下，XRD图谱中最强衍射峰的FWHM值越小，薄膜的结晶质量越好。利用Origin软件对薄膜XRD谱进行高斯拟合，得到InN薄膜(101)衍射峰的FWHM值为0.55°，结晶质量与文献[9]中通过蓝宝石衬底制备的InN薄膜质量一致。薄膜的平均晶粒尺寸可根据Debye-Scherrer公式[10]计算得到。

(1)

式中：D为晶粒尺寸；λ为X射线波长；B为InN薄膜(101)晶面的FWHM值；θ为InN薄膜(101)晶面衍射角。计算得到平均晶粒尺寸为15.065nm。XRD结果表明，在玻璃衬底表面制备得到结晶质量良好的纯相InN薄膜。

2.2 形貌分析

不同放大倍率下InN薄膜的表面形貌(SEM图)如图3所示。

由图3a可以看出，薄膜表面呈现不规则排布的鳞片状结构，相邻的鳞片间类似山谷状。由图3b可知，薄膜表面由尺寸为20～30nm的三角形微晶和圆形颗粒组成，且排列致密。

InN薄膜截面形貌(SEM图)如图4所示。

图4 InN薄膜截面SEM图

由图4可以看出，薄膜呈丘陵状生长，厚度约为2.03μm。

采用EDS测得InN薄膜中各元素组成如表1所示。

表1 InN薄膜中各元素含量

表1中O元素为玻璃衬底产生的杂质。由表1可知，N原子与In原子个数比近似为1∶1，In原子数量略高于N原子，表明制备的InN薄膜存在N空位。

2.3 光学性能分析

拉曼光谱是用于评价晶体结构和质量的有效方法。图5为InN薄膜的拉曼光谱图。利用Origin软件对InN薄膜的拉曼光谱进行多峰拟合，结果如图中虚线所示。

图5 InN薄膜的拉曼光谱图

由图5可以观察到，位于波数449cm-1、492cm-1、558cm-1处的散射峰分别对应A1(TO)、E2(high)和B1(high)振动模式。由于实际制备的InN薄膜不是单晶，对称性的破坏造成选择定则发生松动，出现禁戒的B1模式[11]。E2(high)振动模式的散射峰宽能够反映晶体的质量，由实验结果可得E2(high)振动模式的散射峰宽为29.7cm-1，表明结晶质量较好。

2.4 电学性质

利用霍尔系统测量制备InN的电学性能。测量结果表明：制备的InN薄膜室温电子迁移率为2.36×10-1cm2/(V·s)，电子载流子浓度为6.75×1020cm-3；由于N空位以及氧缺陷导致费米能级被提升至导带内部，造成InN薄膜表面形成n型聚集层。

InN薄膜的电子浓度较高，会造成Burstein-Moss效应发生[12]，导致InN的费米能级由导带与价带之间移动至导带内部，进而导致带隙增加。早期InN禁带宽度被认为是1.9eV，其值与高载流子浓度、氧杂质以及其他化学计量缺陷有关[13]。InN薄膜的禁带宽度可通过载流子浓度估算，公式为[14]

Eg=0.65+0.0166(m0/m*)(n×10-19)2/3

(2)

式中：Eg为禁带宽度；m0为电子惯性质量；m*为电子有效质量；n为载流子浓度。将载流子浓度测量值6.75×1020cm-3代入式(2)，得到InN薄膜的禁带宽度约为2.24eV。

2.5 光谱分析

在波长200～800nm和800～1400nm范围内测量InN薄膜的光学透过率，得到其紫外可见透射光谱图如图6所示，其红外透射光谱图如图7所示。

图6 InN薄膜的紫外可见透射光谱图

图7 InN薄膜的红外透射光谱图

由图6可以看出，紫外波段的光均被InN薄膜吸收。由图7可以看出，InN薄膜在近红外波段呈现较高的透过率，当入射波长超过1400nm时，InN薄膜的透过率开始下降，原因是薄膜的载流子浓度过高造成光吸收。当红外光辐射到高浓度的自由载流子时，自由载流子受到声子的散射，将能量传递给晶格，产生晶格振动，使电磁场能量减弱，造成红外透过率降低。

图8为InN薄膜在波长325nm的激光激发下的PL光谱。

图8 波长325nm激发的InN薄膜的PL光谱图

由图8可以看出，在波长300～800nm范围内存在325nm激光光峰和中心波长位于573nm处的宽带发光峰。该发光峰可能由InN薄膜中的N缺陷或氧杂质产生，发光峰中心波长能量为2.16eV，可将其应用于探测器、黄光发光器件等领域[15]。

3 结论

采用等离子体辅助蒸发系统在玻璃衬底上制备出InN薄膜。制备的InN薄膜具有良好的结晶质量；霍尔测量结果表明InN薄膜为n型半导体，电子迁移率为2.36×10-1cm2/(V·s)、载流子浓度为6.75×1020cm-3、薄膜的禁带宽度约为2.24eV；光谱分析结果显示，制备的InN薄膜在近红外波段呈现高透射率，波长573nm处存在强黄光发射，在探测器、黄光发光器件等领域具有较大的应用前景。