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本文報道了利用等離子源體分子束外延(PSMBE)對6H-SiC（0001）襯底上生長的AlN薄膜晶體質(zhì)量的影響，我們了解了AlN在不同溫度下在PSMBE系統(tǒng)中的生長機制。
AlN薄膜的沉積是利用我們實驗室開發(fā)的一種獨特的技術(shù)，即等離子體源分子束外延(PSMBE)來完成的，一種高純氬氣和氮氣的混合物被供應(yīng)到中空陰極，其中形成了由高能鋁、氬氣和氮氣組成的等離子體，能量在1eV左右的+和N的+離子留下空心陰極源，由于施加在襯底上的負(fù)偏差，進一步加速了這個通量。
AlN薄膜在440℃、500℃、560℃、640℃和800℃下生長，襯底偏置電壓為-15eV，這是我們的PSMBE系統(tǒng)的最佳電壓，通過壓電厚度監(jiān)測器測量，所有薄膜的厚度都約為2000a。用反射高能電子衍射(RHEED)和原子力顯微鏡(AFM)、x射線衍射(XRD)和光學(xué)反射率對薄膜進行了原位表征，AFM表征是使用數(shù)字儀器納米鏡III與標(biāo)準(zhǔn)氮化硅針尖進行的，在scintagX1θ-θ衍射儀中對薄膜進行了XRD表征，樣品被支撐在一個零背景的石英板上，
對于電測量，Pt電極沉積在磁磁控濺射系統(tǒng)中，在500℃生長的樣品上，毯子電極沉積在碳化硅襯底的底表面，直徑為1毫米的頂部圓形接觸通過硬掩模沉積在薄膜表面，使用HP4192ALF阻抗分析儀在1MHz頻率下進行C-V表征。I-V測量是在帶有直流電壓源的HP4140B皮安表上進行的，一個加熱的卡盤被用來達到高達300攝氏度的溫度。
AFM顯示在襯底表面有一些劃痕，經(jīng)AFM測定，較深層的劃痕深度約為2nm，在850℃下持續(xù)1小時的脫氣過程后，對6H-SiC底物的RHEED研究給出了條紋圖案，這表明有梯田和臺階的表面相對光滑。在640℃沉積的薄膜的RHEED圖案由圓點組成，表明表面粗糙，是由于表面粗糙的傳遞，而不是表面反射
圖1
圖1顯示了在500℃、640℃和800℃下生長的薄膜的AFM圖像和RHEED模式,在640℃下生長的薄膜在所有薄膜中具有最大的粗糙度和最大的基底特征,在低于640℃的溫度下生長的薄膜具有與500℃的薄膜具有非常相似的小表面特征,沉積在800℃下的薄膜表現(xiàn)出異常的形狀特征,從表面分析中可以得出結(jié)論，在640℃左右，生長機制發(fā)生了變化。
關(guān)于碳化硅峰值的搖擺掃描表明襯底不是單晶，通常包含約4度的擴散。在晶片的另一塊碎片的6H-SiC峰附近的搖擺曲線，說明了一個錯誤的切割，大于指定的一個，以及較寬的方向擴展。除了在搖擺掃描中看到的強晶體峰外，碳化硅的相當(dāng)一部分強度是擴散的，由于這種彌漫性的“光暈”，我們無法最終確定我們是否觀察到了AlN峰。
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圖3
圖3顯示了在180~800nm波長間隔內(nèi)的所有5種薄膜的光反射率測量值,所有的反射率曲線都有一個較大的峰,在209-230nm的時間間隔內(nèi)，這取決于生長溫度,在低于640℃溫度下生長的薄膜在209-216nm范圍內(nèi)的峰值反射率為37-40%，在較低波長的反射率下降，可能是由于AlN帶隙的吸收。在高質(zhì)量的AlN中，吸收應(yīng)發(fā)生在200nm左右，對應(yīng)于能量為6.2eV,在較低溫度下生長的薄膜的吸收由于生長的緊張而轉(zhuǎn)移到較低的波長,在生長640℃或更高的溫度下，觀察到吸收向200nm移動，據(jù)我們所知，這是由于生長模式的變化導(dǎo)致薄膜中的應(yīng)變弛豫,這一結(jié)論與上面所討論的表面分析數(shù)據(jù)相一致。
我們認(rèn)為，其他樣品的接觸短路是由于在光學(xué)顯微鏡下可見的襯底表面的小晶體引起的,這是基底表面質(zhì)量對器件結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵影響的一個例子,在室溫和300℃下均觀察到一個較小的磁滯回線，這表明了捕獲中心的存在,C-V曲線的另一個特征是在室溫和300℃時存在一個肩,然而，在300℃時，這個肩向較低的電壓移動。
最后系統(tǒng)地研究了沉積溫度對AlN結(jié)晶質(zhì)量的影響，RHEED和AFM的表面分析表明，在640℃左右，生長模式由偽形變?yōu)槿S，高于640攝氏度的溫度往往會使薄膜更光滑，由于碳化硅峰的高擴散強度，XRD掃描不能最終確定在2θ=36o處的高強度是由于AlN峰，光反射率測量顯示，隨著薄膜沉積溫度的增加，吸收向200nm移動，在500℃沉積的薄膜的電測量表明，Pt/AlN接觸為肖特基，C-V測量結(jié)果顯示，在室溫和300℃下都有一個較小的磁滯回線，在300℃下的C-V曲線向較低的負(fù)電壓移動。