六方氧化鎵薄膜的制備及氮化與摻雜特性研究.pdf

1、半導(dǎo)體材料在信息技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，在它們的基礎(chǔ)上制備的半導(dǎo)體器件正在逐步改善著人類的生活。隨著信息時(shí)代的不斷發(fā)展，人們迫切需要發(fā)現(xiàn)新型半導(dǎo)體材料來滿足科技的發(fā)展，這時(shí)，氧化物半導(dǎo)體進(jìn)入了人們的研究范圍。Ga2O3作為新型氧化物半導(dǎo)體材料的代表，近年來受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Ga2O3是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，呈現(xiàn)出五種同分異構(gòu)體，分別是α-Ga2O3、γ-Ga2O3、δ-Ga2O3β-Ga2O3和ε-Ga2O3五種

2、結(jié)構(gòu)，其中單斜晶系β-Ga2O3是最為穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。Ga2O3的禁帶寬度位于4.2-4.9eV之間，并以其優(yōu)良的化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性在紫外探測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、透明導(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域都有著較為廣泛的應(yīng)用。Ga2O3薄膜常用的制備工藝方法有:磁控濺射法、分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物化合物氣相沉積(MOCVD)等方法。目前關(guān)于β-Ga2O3材料外延生長(zhǎng)的技術(shù)方法的報(bào)道比較多，而對(duì)于其他晶體結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道則比較少?；谝陨系难芯勘尘埃菊撐拈_

3、展了對(duì)ε-Ga2O3材料生長(zhǎng)以及特性的研究，本文是利用MOCVD技術(shù)方法在6H-SiC、藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)ε-Ga2O3薄膜，并分別對(duì)它們進(jìn)行了在N2和NH3的不同氛圍內(nèi)的熱處理，然后系統(tǒng)地研究了熱處理前后薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、外延關(guān)系、表面形貌等性質(zhì)的變化;隨后研究了Zn源流量對(duì)MOCVD方法生長(zhǎng)氧化鎵薄膜特性的影響。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)研究了不同的退火溫度對(duì)ε-Ga2O3薄膜的晶體結(jié)構(gòu)以及樣品表

4、面形貌的影響，利用MOCVD設(shè)備，用高純TEGa作為Ga源，高純O2作為氧源，Ar作為載氣，在6H-SiC襯底上外延生長(zhǎng)ε-Ga2O3薄膜，生長(zhǎng)溫度為500℃，隨后在N2氛圍下退火30min，退火溫度分別是800℃、850℃和900℃，然后對(duì)樣品進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試。對(duì)不同退火溫度下的樣品進(jìn)行XRD測(cè)試結(jié)果分析得出ε-Ga2O3薄膜在850℃時(shí)開始向β-Ga2O3轉(zhuǎn)變，900

5、℃時(shí)已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ga2O3，ε-Ga2O3的熱穩(wěn)定性可以維持在800℃左右。通過高分辨率X射線衍射測(cè)試結(jié)果得出ε-Ga2O3和6H-SiC襯底的面內(nèi)外延關(guān)系為ε-Ga2O3(1120)//6H-SiC（1120），面外外延關(guān)系為ε-Ga2O3(0001)//6H-SiC(0001)。從SEM圖像的分析結(jié)果可知ε-Ga2O3薄膜的表面是連續(xù)且平整的，ε-Ga2O3薄膜的熱穩(wěn)定性維持在800℃左右。從AFM測(cè)試結(jié)果得出樣品的表面粗糙程

6、度先增大后減小，其變化規(guī)律和SEM測(cè)試結(jié)果得出的變化規(guī)律是一致的。
　　(2)研究了氮化處理前后的ε-Ga2O3薄膜的晶體結(jié)構(gòu)以及薄膜組分的變化。利用上述同樣的條件在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)ε-Ga2O3薄膜，然后在NH3氛圍內(nèi)退火30min，對(duì)兩組樣品進(jìn)行的XRD、XPS、SEM、AFM、透射譜等測(cè)試。從XRD測(cè)試結(jié)果可以得到氮化處理后的樣品表面有GaN薄膜形成，并且具有C軸擇優(yōu)取向的特點(diǎn)。從XPS測(cè)試結(jié)果可知氮化后的樣品表面有氮化

7、物生成。從SEM圖像可以看出氮化處理后的ε-Ga2O3薄膜表面有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生成。透射譜測(cè)試結(jié)果表面氮化處理后的樣品在365nm位置處（GaN薄膜的本征吸收邊）有著很明顯的光吸收現(xiàn)象，表明ε-Ga2O3薄膜表面有GaN晶體生成。然后研究了Zn源輸入量對(duì)ε-Ga2O3薄膜的影響，利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法，以三乙基鎵為鎵源，二乙基鋅作為摻雜鋅源，高純氧氣作為氧源，高純氬氣作為載氣，在鋅源流量為0.36、0.72、1.44μ mol/min

8、的條件下制備了三種鋅摻雜氧化鎵薄膜樣品。利用薄膜厚度分析儀、X射線衍射儀和紫外-可見雙光束分光光度計(jì)測(cè)試方法對(duì)樣品的膜厚、晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性進(jìn)行了表征。同時(shí)，利用熱蒸發(fā)方法在薄膜表面制備鈦鋁電極，并對(duì)其進(jìn)行了I-V特性測(cè)試。相關(guān)測(cè)試結(jié)果表明，氧化鎵薄膜的結(jié)晶和光學(xué)質(zhì)量隨著鋅源流量的增加而提高。當(dāng)鋅源流量為1.44μmol/min時(shí)，所制備的氧化鎵薄膜為ε相，且具有(0002)面擇優(yōu)取向，其光學(xué)帶隙為4.93eV，在350-800nm可見