射频反应磁控溅射制备氮化铜纳米薄膜及其场发射性能研究
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摘要
Cu_3N薄膜是近几年来研究的热点材料之一，在室温下相当稳定并且热分解温度较低，分解后生成的铜膜与分解前的氮化铜膜在红外及可见光区的反射率差别非常大，有望成为光存储器件中光存储介质的备选材料，与现有的一次性光存储碲基无机相变材料相比，它还具有无毒、廉价的优点。此外，Cu_3N薄膜还可用作在Si片上沉积金属Cu线的缓冲层、低磁阻隧道结的障碍层、自组装材料的模板等。到目前为止，Cu_3N薄膜的物理及化学性质仍然不是很清楚，大多数研究工作仍处于制备层次上，不同的制备工艺对Cu_3N薄膜性能的影响很大。国际上报道的有关Cu_3N薄膜的物理及化学性质并不一致。而国内有关Cu_3N薄膜的研究报道也很少，因此开展这方面的研究工作是非常必要的。
到现在为止，很多方法都用来制备氮化铜薄膜，包括离子束辅助沉积、射频磁控反应溅射和溅射沉积等。目前使用最多的是具有高效性和简便性的射频磁控反应溅射方法。本论文利用射频磁控反应溅射方法制备了纳米Cu_3N薄膜，并对其结构和性质进行了研究，主要内容包括：
1．研究了溅射气体中的氢气对薄膜生长行为的影响。不同H_2/N_2比例制备的氮化铜薄膜中都发生了氮化铜的优先生长。在0%H_2/N_2比例样品中观察到了氮化铜强的(100)特征峰，在2%-10%H_2/N_2比例的样品中，虽然膜中Cu/N相对比例明显随着H_2/N_2比例改变，但是即使在10%H_2/N_2比例情况下，膜的结构也仅仅显示了很小的改变。这表明薄膜沿择(100)晶向的择优生长取向不会随H_2/N_2比例的升高而发生明显的改变，溅射气体中的氢气对生长行为的影响是相当小的。
2．研究了反应气体中H_2/N_2的比例对薄膜的晶格常数、电阻率、光学带隙等物理性质的影响。XRD分析表明，晶粒尺度在纳米量级，由于氢气的限制成核作用，晶粒大小随H_2/N_2比例增大而增大；氮化铜薄膜中氮含量随着H_2/N_2比例增大而减小，晶格常数随之减小；样品光学带隙随着H_2/N_2比例提高单调减小，证明H掺杂可以在一定范围内有效地调整Cu_3N薄膜的光学带隙；通过空气环境中的热重分析表明，随着H_2/N_2比例提高，薄膜中氮含量减小，导致氮化铜薄膜更倾向于在低温下热氧化，表现出差的稳定性，同时在分解过程中也表现出更大的样品增重；随着H_2/N_2比例提高，Cu_3N薄膜电阻率减小，这是由于随着氢气比例增加，薄膜中未发生Cu原子填隙到Cu_3N晶格的体心空位的现象，过量的Cu原子以无定形态形式沉积于晶界作为施主提供电子作为载流子从而降低了电阻系数，Cu_3N薄膜电阻率的可控性为其在微电子方面的应用拓宽了范围，有很好的应用前景。
3．利用二极管结构场发射测试装置，对Cu/N比例为3．3：1的Cu_3N薄膜进行场发射测试，薄膜场发射电流很不稳定，且发射开启电场较高，发射电流较小。通过增加源气体中H_2含量，薄膜中铜含量增加至80．8 at．%，对该氮化铜薄膜进行场发射测试，发现场发射比较稳定，发射电流可以达到实际应用要求，但开启电场仍然较高。分析认为薄膜中铜含量的增加有助于提高氮化铜薄膜场发射性质。
4．利用肖特基发射、SCLC效应、SCLC+PF效应的理论公式依次对氮化铜薄膜场发射数据进行拟合，其拟合相关系数都比较高，证明这些效应在氮化铜薄膜的场发射过程中都起到了一定的作用，我们所观察到的场发射Ⅰ-Ⅴ关系其实是各种传导机制与FN表面发射机制共同作用的结果。
In recent years, copper nitride (Cu_3N) thin films have attracted considerable attentionfor its distinct structure and low thermal-decomposition temperature. Based on itsunique properties, Cu_3N has potential applications in many fields such as opticalstorage, micro-electronic device and so on. Its low decomposition temperature andnature of non-toxic could be used in write-once-read-many optical storage instead oftellurium.
Until now, Cu_3N thin films have been prepared with different methods, includingion-assisted vapor deposition, reactive rf magnetron sputtering, and direct currentsputtering. The method of reactive rf magnetron sputtering with the character ofhighly active and convenient is used most. Focused on the reactive magnetronsputtering preparation and properties of Cu_3N thin films, the main research contents ofthis thesis are shown as follows:
1.From XRD patterns, no Cu peaks are found in all the as-deposited films and this indicate that the preferential growth of copper nitride occurs in all films. Also in XRD pattern, a strongest (100) and lower (200), (211) and (220) peaks of the Cu_3N are observed in the film deposited at 0% H_2/N_2 ratios. In the films deposited at 2%～10% H_2/N_2 ratios, the peak of (100) is also the strongest one and a small peak of (111) appears. Although the Cu/N ratios of the films change obviously with the H_2/N_2 ratios, the structure of the films only show very small difference even in the films prepared at 10% H_2/N_2 ratios. This result means that the growth behavior influence by the effect of H_2 on is rather small.
2. The effects of H_2/N_2 ratio on the lattice parameter,resistence and optical band gap of Cu_3N films were investigated. The grain size estimated from XRD results is on the order of nanometers. The grain size increases monotonously with increasing H_2/N_2 ratios. The H restricts the nucleation, resulting in the formation of the larger grains. The N content in the Cu_3N films decreases with the increasing H_2/N_2 ratio. The transition of lattice constant is in consistence with the nitrogen content in the films. The optical band gap narrows as the H_2/N_2 ratio increases. this means that the gap of the Cu_3N film could be modulated by H doping. By analysis using TGA in the air, the result shows that the substoichiometrical Cu_3N film with low N content is tended to thermal oxidation at low temperature, and presents poor stability and loses large weight. The resistance of the Cu_3N film decrease when increasing H_2/N_2 ratio. The reason is that Cu atoms transfer to interstitial body-centered position of Cu_3N lattice, and these Cu atoms act as donors. As a conclusion, the Cu_3N films have potential application in microelectronics for its controllable resistance.
3. The field emission properties of Cu_3N films with the Cu/N ratio of 3.3:1 are measured with a diode configuration.The field emission shows poor stability, high turn-on electric field and low field emission current. By increasing the H_2 content in the source gas, the Cu content in the film is increased to 80.8 at.%. the field emission properties were improved by showing stability and high emission current, but the turn-on electric field is still high. We consider the increase of Cu content in the film favored the field emission of Cu_3N films.
4. The field emission curve of Cu_3N films was analysed using FN,Schottky, SCLC and SCLC+PF models. By mathematical analysis, the correlation coefficients are all very high, proving these models affect the field emission from the Cu_3N films simultaneously, and the I-V relation is the result of these conduction mechanism and FN emission mechanism.
到现在为止，很多方法都用来制备氮化铜薄膜，包括离子束辅助沉积、射频磁控反应溅射和溅射沉积等。目前使用最多的是具有高效性和简便性的射频磁控反应溅射方法。本论文利用射频磁控反应溅射方法制备了纳米Cu_3N薄膜，并对其结构和性质进行了研究，主要内容包括：
1．研究了溅射气体中的氢气对薄膜生长行为的影响。不同H_2/N_2比例制备的氮化铜薄膜中都发生了氮化铜的优先生长。在0%H_2/N_2比例样品中观察到了氮化铜强的(100)特征峰，在2%-10%H_2/N_2比例的样品中，虽然膜中Cu/N相对比例明显随着H_2/N_2比例改变，但是即使在10%H_2/N_2比例情况下，膜的结构也仅仅显示了很小的改变。这表明薄膜沿择(100)晶向的择优生长取向不会随H_2/N_2比例的升高而发生明显的改变，溅射气体中的氢气对生长行为的影响是相当小的。
2．研究了反应气体中H_2/N_2的比例对薄膜的晶格常数、电阻率、光学带隙等物理性质的影响。XRD分析表明，晶粒尺度在纳米量级，由于氢气的限制成核作用，晶粒大小随H_2/N_2比例增大而增大；氮化铜薄膜中氮含量随着H_2/N_2比例增大而减小，晶格常数随之减小；样品光学带隙随着H_2/N_2比例提高单调减小，证明H掺杂可以在一定范围内有效地调整Cu_3N薄膜的光学带隙；通过空气环境中的热重分析表明，随着H_2/N_2比例提高，薄膜中氮含量减小，导致氮化铜薄膜更倾向于在低温下热氧化，表现出差的稳定性，同时在分解过程中也表现出更大的样品增重；随着H_2/N_2比例提高，Cu_3N薄膜电阻率减小，这是由于随着氢气比例增加，薄膜中未发生Cu原子填隙到Cu_3N晶格的体心空位的现象，过量的Cu原子以无定形态形式沉积于晶界作为施主提供电子作为载流子从而降低了电阻系数，Cu_3N薄膜电阻率的可控性为其在微电子方面的应用拓宽了范围，有很好的应用前景。
3．利用二极管结构场发射测试装置，对Cu/N比例为3．3：1的Cu_3N薄膜进行场发射测试，薄膜场发射电流很不稳定，且发射开启电场较高，发射电流较小。通过增加源气体中H_2含量，薄膜中铜含量增加至80．8 at．%，对该氮化铜薄膜进行场发射测试，发现场发射比较稳定，发射电流可以达到实际应用要求，但开启电场仍然较高。分析认为薄膜中铜含量的增加有助于提高氮化铜薄膜场发射性质。
4．利用肖特基发射、SCLC效应、SCLC+PF效应的理论公式依次对氮化铜薄膜场发射数据进行拟合，其拟合相关系数都比较高，证明这些效应在氮化铜薄膜的场发射过程中都起到了一定的作用，我们所观察到的场发射Ⅰ-Ⅴ关系其实是各种传导机制与FN表面发射机制共同作用的结果。
In recent years, copper nitride (Cu_3N) thin films have attracted considerable attentionfor its distinct structure and low thermal-decomposition temperature. Based on itsunique properties, Cu_3N has potential applications in many fields such as opticalstorage, micro-electronic device and so on. Its low decomposition temperature andnature of non-toxic could be used in write-once-read-many optical storage instead oftellurium.
Until now, Cu_3N thin films have been prepared with different methods, includingion-assisted vapor deposition, reactive rf magnetron sputtering, and direct currentsputtering. The method of reactive rf magnetron sputtering with the character ofhighly active and convenient is used most. Focused on the reactive magnetronsputtering preparation and properties of Cu_3N thin films, the main research contents ofthis thesis are shown as follows:
1.From XRD patterns, no Cu peaks are found in all the as-deposited films and this indicate that the preferential growth of copper nitride occurs in all films. Also in XRD pattern, a strongest (100) and lower (200), (211) and (220) peaks of the Cu_3N are observed in the film deposited at 0% H_2/N_2 ratios. In the films deposited at 2%～10% H_2/N_2 ratios, the peak of (100) is also the strongest one and a small peak of (111) appears. Although the Cu/N ratios of the films change obviously with the H_2/N_2 ratios, the structure of the films only show very small difference even in the films prepared at 10% H_2/N_2 ratios. This result means that the growth behavior influence by the effect of H_2 on is rather small.
2. The effects of H_2/N_2 ratio on the lattice parameter,resistence and optical band gap of Cu_3N films were investigated. The grain size estimated from XRD results is on the order of nanometers. The grain size increases monotonously with increasing H_2/N_2 ratios. The H restricts the nucleation, resulting in the formation of the larger grains. The N content in the Cu_3N films decreases with the increasing H_2/N_2 ratio. The transition of lattice constant is in consistence with the nitrogen content in the films. The optical band gap narrows as the H_2/N_2 ratio increases. this means that the gap of the Cu_3N film could be modulated by H doping. By analysis using TGA in the air, the result shows that the substoichiometrical Cu_3N film with low N content is tended to thermal oxidation at low temperature, and presents poor stability and loses large weight. The resistance of the Cu_3N film decrease when increasing H_2/N_2 ratio. The reason is that Cu atoms transfer to interstitial body-centered position of Cu_3N lattice, and these Cu atoms act as donors. As a conclusion, the Cu_3N films have potential application in microelectronics for its controllable resistance.
3. The field emission properties of Cu_3N films with the Cu/N ratio of 3.3:1 are measured with a diode configuration.The field emission shows poor stability, high turn-on electric field and low field emission current. By increasing the H_2 content in the source gas, the Cu content in the film is increased to 80.8 at.%. the field emission properties were improved by showing stability and high emission current, but the turn-on electric field is still high. We consider the increase of Cu content in the film favored the field emission of Cu_3N films.
4. The field emission curve of Cu_3N films was analysed using FN,Schottky, SCLC and SCLC+PF models. By mathematical analysis, the correlation coefficients are all very high, proving these models affect the field emission from the Cu_3N films simultaneously, and the I-V relation is the result of these conduction mechanism and FN emission mechanism.
引文
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