研究目的
采用分子束外延技术在α-Al2O3(1102)衬底上生长ScN薄膜,研究其晶体质量与电学性能的关系,并探究异质外延结构及决定电子迁移率的因素。
研究成果
在α-Al2O3(1102)衬底上外延生长的ScN薄膜呈现出具有小各向异性和倾斜生长的特定取向关系。结晶度随温度升高和富钪条件改善,但最高电子迁移率是在平衡结晶度与非化学计量比的边界条件下实现的。尽管富钪条件下结晶度更优,但电离施主导致的载流子散射增加仍会降低迁移率。
研究不足
该研究仅限于α-Al2O3(1102)衬底上特定生长条件(温度和Sc/N比);未探索其他衬底或方法。倾斜生长机制归因于衬底原子排列但未完全量化。电学性能可能受未控制的杂质影响。
1:实验设计与方法选择:
采用金属源分子束外延(MBE)技术结合射频氮等离子体源,在α-Al2O3(1102)衬底上生长ScN薄膜。研究通过调节生长温度(Tg:750°C至900°C)和钪源温度(TSc:1300°C至1325°C),探究其对晶体质量和电学性能的影响。
2:样品选择与数据来源:
以(1102)晶向的α-Al2O3单晶为衬底,生长前在900°C下加热30分钟进行表面清洁。
3:实验设备与材料清单:
主要设备包括配备13.56 MHz射频等离子体源的MBE系统、钪流量控制用的Knudsen Cell、X射线衍射仪(X'Pert MRD,马尔文帕纳科公司)、透射电子显微镜(H-9000UHR,日立高新技术公司)、原子力显微镜(SPA-400,SII纳米科技有限公司)、表面轮廓仪(Dektak 3030,斯隆科技公司)、霍尔效应测试系统(ResiTest 8200,东阳公司)及分光光度计(SolidSpec-3700,岛津公司)。材料包含高纯氮气(99.99995%)、金属钪(99.9%)及接触电极用铝。
4:56 MHz射频等离子体源的MBE系统、钪流量控制用的Knudsen Cell、X射线衍射仪(X'Pert MRD,马尔文帕纳科公司)、透射电子显微镜(H-9000UHR,日立高新技术公司)、原子力显微镜(SPA-400,SII纳米科技有限公司)、表面轮廓仪(Dektak 3030,斯隆科技公司)、霍尔效应测试系统(ResiTest 8200,东阳公司)及分光光度计(SolidSpec-3700,岛津公司)。材料包含高纯氮气(99995%)、金属钪(9%)及接触电极用铝。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:首先加热清洁衬底,随后通过氮等离子体辅助沉积生长ScN薄膜,调控Tg与TSc参数,薄膜厚度控制在140-300 nm范围。结构分析采用XRD(θ-2θ扫描、摇摆曲线、极图及倒易空间映射)、透射电镜和原子力显微镜;电学性能通过范德堡法霍尔测量获??;光学性能采用透射光谱评估。
5:数据处理方法:
XRD数据用于分析取向、倾斜角及半高宽;透射电镜与原子力显微镜表征表面形貌;霍尔效应数据提取电阻率、载流子浓度和迁移率;统计分析晶体质量与电学参数对生长条件的依赖关系。
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X-ray diffractometer
X'Pert MRD
Malvern Panalytical Ltd.
Analyze structure and crystallinity of films using XRD measurements in θ–2θ, rocking curve, pole figure, and reciprocal space mapping modes.
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Transmission electron microscope
H-9000UHR
Hitachi High-Technologies Corp.
Observe cross-sectional images of ScN films to study interface and dislocations.
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Spectrophotometer
SolidSpec-3700
Shimadzu Corp.
Evaluate optical properties by regular transmittance measurement.
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Atomic force microscope
SPA-400
SII Nanotechnology Inc.
Evaluate surface morphologies of films and substrates.
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Surface profiler
Dektak 3030
Sloan Technology Corp.
Measure thicknesses of the films.
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Hall effect measurement system
ResiTest 8200
TOYO Corp.
Determine electrical resistivity, carrier concentration, and mobility using van der Pauw method under magnetic field.
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Knudsen cell
K-cell
Supply Sc flux during film growth, using boron nitride crucible.
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RF radical source
Generate nitrogen plasma for nitrogen source in MBE growth.
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