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Ⅲ-Ⅴ族AlN半导体薄膜以其优异的物理和化学性能在光电子和微电子器件领域具有良好的应用前景。在Al2O3衬底上外延生长AlN薄膜时，AlN与Al2O3之间较大的晶格失配和AlN薄膜的不同表面极性严重影响着其结晶和表面质量。本文采用激光分子束外延法在Al2O3(0001)衬底上沉积AlN薄膜，并通过在高真空条件下预沉积AlN缓冲层以提高薄膜的质量。
本文分析了工艺参数和预沉积时间对薄膜质量的影响，并讨论了晶体结构和外界环境温度对薄膜光学性能的影响，主要研究结果如下：⑴在高真空气氛下预沉积AlN缓冲层可显著提高AlN薄膜的结晶和表面质量。通过正交对比实验表明，沉积AlN薄膜的合适的衬底温度和激光能量分别为750℃和150mJ/p。⑵预沉积时间为5min和10min时，AlN薄膜呈单一的(0002)择优取向，随着预沉积时间的增加，薄膜的结晶质量提高、表面粗糙度下降，且呈Al极性。预沉积时间为20min时AlN薄膜的结晶质量最好，但薄膜已开始从Al极性转为N极性。在预沉积时间为30min时，由于沉积气氛中Al和N原子比的失衡，无法结晶形成AlN。⑶采用Swanepoe的理论模型，基于薄膜透射光谱的分析表明，随着预沉积时间的增加，由于薄膜的轴比c/a值减小，AlN薄膜的禁带宽度和折射率随之降低。⑷在77-450K温度范围内，AlN薄膜的吸收曲线随着温度的升高向长波方向移动，即AlN薄膜的禁带宽度随着温度的升高而减小。采用P(a)ssler模型对薄膜禁带宽度随温度的变化拟合后推导出其德拜温度为1067K。由AlN薄膜带尾能量与温度的变化关系可得到其有效声子能量为68.6meV，这个较小的值与电子-纵向光学声子和声学声子(或E2(low))的相互作用有关。