共濺法制備Mn摻雜GaN薄膜和納米結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了第一代半導(dǎo)體材料Si、Ge等，第二代半導(dǎo)體材料GaAs、GaP等以及第三代半導(dǎo)體材料SiC、ZnSe、GaN等。以氮化鎵(GaN)為代表第三代半導(dǎo)體材料與前兩代相比，具有高熱導(dǎo)率、耐高溫、抗輻射、化學(xué)穩(wěn)定性好、高強(qiáng)度和高硬度、寬直接帶系，內(nèi)、外量子效率高等特性，更適合于制作高溫、高頻及大功率電子器件及短波激光器，在微電子和光電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于一維 GaN納米材料具有許多新奇的物理特性而作為新穎的低維材料

2、越來(lái)越多引起了人們的研究興趣。隨著 GaN基器件的發(fā)展需求，為了更好地實(shí)現(xiàn)其光電子特性，適當(dāng)?shù)膿诫s是非常有必要的。摻有Mn、Fe等過(guò)渡金屬元素的Ⅲ—Ⅴ族稀磁半導(dǎo)體(DMS)材料，由于其具備半導(dǎo)體和磁性材料的綜合特性，可望廣泛應(yīng)用于未來(lái)的磁(自旋)電子器件。摻Mn的氮化鎵基稀磁半導(dǎo)體材料的居里溫度超過(guò)室溫，是能實(shí)現(xiàn)室溫或更高溫度下載流子誘導(dǎo)鐵磁性的優(yōu)選材料。于是在實(shí)現(xiàn) GaN一維納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) GaN納米結(jié)構(gòu)的Mn摻雜意

3、義重大。
　　本文采用共濺法制備Mn摻雜 GaN納米結(jié)構(gòu)。用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、傅里葉紅外吸收譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)和光致發(fā)光譜(PL)等測(cè)試手段詳細(xì)分析了Mn摻雜 GaN納米材料的結(jié)構(gòu)、組分、形貌和光致發(fā)光特性。研究了不同的氨化溫度、不同的氨化時(shí)間和不同氨氣流量對(duì)GaN納米結(jié)構(gòu)的影響，初步提出并探討了此方法合成GaN納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制。所取得的主要研究

4、結(jié)果如下:
　　1.用共濺射和氨化制備Mn摻雜 GaN納米結(jié)構(gòu)
　　利用磁控濺射法在Si襯底上濺射Mn/Ga2O3層狀結(jié)構(gòu)薄膜，然后對(duì)濺射的Mn/Ga2O3層狀薄膜在氨氣氣氛下退火制備GaN納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變退火時(shí)間、退火溫度及氨氣流量，研究其對(duì)合成的GaN納米結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明:不同的退火溫度、退火時(shí)間和氨氣流量對(duì)合成GaN納米結(jié)構(gòu)都有很大影響，合成的一維納米結(jié)構(gòu)為扁平條狀六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的單晶Mn摻雜 GaN。

5、>　　2.GaN納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性
　　室溫下，用波長(zhǎng)為325 nm光激發(fā)樣品表面，所得PL譜只包含二個(gè)主要的發(fā)光峰，分別對(duì)應(yīng)位于388 nm和409 nm處。位于409 nm的很強(qiáng)的發(fā)光峰，與文獻(xiàn)報(bào)道的GaN體材料的發(fā)光峰相比有較大的紅移。說(shuō)明Mn摻雜有效的調(diào)整了GaN納米條的能帶結(jié)構(gòu)，減小了禁帶寬度，改變了其在紫外光區(qū)的發(fā)光行為。388 nm處的發(fā)光峰可能是由于導(dǎo)帶或施主態(tài)到 Mn受主間的躍遷引起的。
　　3.對(duì)GaN納

6、米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)機(jī)制的探索
　　高溫下氨氣逐步分解成NH2、NH、H2、N2等產(chǎn)物，固態(tài) Ga2O3與 H2反應(yīng)生成中間產(chǎn)物氣態(tài)的Ga2O，在襯底處與體系中氨氣發(fā)生催化反應(yīng)得到 GaN晶核，這些晶核在襯底合適的能量位置生長(zhǎng)，成為下一個(gè)晶核生長(zhǎng)的依托點(diǎn)，隨著氨化過(guò)程的進(jìn)行GaN晶核繼續(xù)長(zhǎng)成GaN微晶，當(dāng)微晶的生長(zhǎng)方向沿著相同的方向生長(zhǎng)，就形成了單晶GaN納米線、納米線、納米顆粒。同時(shí)氨化層狀結(jié)構(gòu)的Mn/Ga2O3薄膜，能使得在微晶生長(zhǎng)過(guò)程