β-Ga2O3薄膜制備與表征.pdf

1、β型氧化鎵是直接寬禁帶透明氧化物材料，在可見光區(qū)到紫外光區(qū)有很高的透光率，其禁帶寬度在4.9eV左右，具有良好的物理化學穩(wěn)定性。氧化鎵已經在氣敏探測器、紫外光探測器、電致發(fā)光等器件上得到了應用。由于氧化鎵在禁帶寬度上的優(yōu)勢，它在功率器件方面也有很大的發(fā)展前景，并且國際上也出現了相關功率器件的研究。對氧化鎵薄膜生長與性質以及摻雜薄膜性質的研究是制備氧化鎵器件的前提，但國內對氧化鎵薄膜生長和性質的研究并不多。使用PLD技術可在低溫、低真空度

2、下進行單晶薄膜的生長，其靈活性強，生長速度快，能夠滿足氧化鎵薄膜研究的前期研究需求。本文通過PLD在C面藍寶石和氧化鎵單晶襯底上制備β-Ga2O3薄膜，并討論了PLD制備Ga2O3薄膜的結構、生長機理和光學等性質。基于上面的討論，完成了以下工作。
　　第一，使用PLD技術在α-Al2O3襯底上外延生長Ga2O3薄膜，首先研究在α-Al2O3襯底上外延Ga2O3薄膜的工藝參數，包括氧氣分壓和溫度對Ga2O3薄膜的結晶質量、表面形貌和

3、粗糙度的影響，得到薄膜的生長規(guī)律。隨著氧氣分壓的升高，薄膜的平均晶粒尺寸減小，表面粗糙度減小，薄膜的生長速率逐漸增大，薄膜內的O/Ga比值增大并。襯底溫度在500℃～750℃范圍內均能制備出單晶β-Ga2O3薄膜，并且薄膜的生長速率隨溫度升高而降低。
　　第二，根據前面得到的生長規(guī)律，選擇PLD制備氧化鎵薄膜的工藝參數為：襯底溫度600℃，氧分壓0.01mbar，靶材與襯底的距離5cm，激光脈沖頻3Hz，激光的能量密度2J/cm2

4、。并對該條件下生長的氧化鎵薄膜的外延關系、界面性質、元素組成與化學態(tài)以及生長模式進行研究。α-Al2O3上生長Ga2O3薄膜的外延生長關系為：α-Al2O3(0001)||β-Ga2O3(2-01)、β-Ga2O3(010)||α-Al2O3(11-00)和β-Ga2O3(102)||α-Al2O3(112-0)，由于藍寶石旋轉對稱性，氧化鎵外延薄膜內形成了三重疇結構。在低氧分壓（0.0013mbar）的環(huán)境下制備的氧化鎵薄膜內的Ga元

5、素同時存在Ga3+、Ga+和Ga三種化學態(tài)。由于β-Ga2O3和α-Al2O3存在較大的晶格失配，導致β-Ga2O3和α-Al2O3的界面存在大量的失配位錯，其穿透位錯沿縱向和橫向分布。薄膜的生長模式為三維的島生長。
　　第三，對襯底溫度600℃，氧分壓0.01mbar條件下生長的β-Ga2O3薄膜的光致發(fā)光性質與發(fā)光機制進行了研究，分別進行了變溫PL譜和變功率PL譜測試。使用高斯擬合分別在可見光區(qū)的437.4nm、517.1nm

6、和582.7nm處得到了3個峰。通過變功率譜的峰移和強度變化規(guī)律，發(fā)現可見光區(qū)的3個峰的發(fā)光機制是施主受主對的復合躍遷，氧空位引起了藍光發(fā)光峰，鎵空位引起了綠光發(fā)光峰。對樣品透射測試結果表明：在可見光范圍β-Ga2O3的透射率在85％左右，在近紫外光范圍有80％左右的透射率。通過(ahv)2與hv曲線得到薄膜的禁帶寬度為5.0eV。
　　第四，用PLD在襯底溫度為600℃、氧分壓0.01mbar條件下進行β-Ga2O3薄膜同質外延