氨化硅基磁控濺射Ga-,2-O-,3--Co薄膜制備GaN納米結(jié)構(gòu)和薄膜的研究.pdf

1、以氮化鎵(GaN)為代表的Ⅲ-V族氮化物作為第三代半導(dǎo)體材料，由于在藍(lán)光二極管、紫外探測(cè)器和短波長(zhǎng)激光器等固體光電子器件方面的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，成為近些年來(lái)持續(xù)的研究熱點(diǎn)，其材料的光電性質(zhì)得到了廣泛的理論以及實(shí)驗(yàn)研究。相比之下，有關(guān)低維納米結(jié)構(gòu)的制備、納米結(jié)構(gòu)和單晶薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的物理機(jī)理研究等方面的實(shí)驗(yàn)工作相對(duì)缺乏。 目前GaN基器件大多數(shù)制作在藍(lán)寶石襯底上。由于藍(lán)寶石價(jià)格昂貴、襯底自身絕緣且硬度大、器件工藝復(fù)雜、制作成本費(fèi)用高，且

2、由于它導(dǎo)熱性能差，不利于大功率器件的制作，硅襯底則可以彌補(bǔ)這些不足。因此，開(kāi)展Si基GaN薄膜材料的外延生長(zhǎng)意義重大。雖然以Si為襯底的六方GaN材料的生長(zhǎng)有一定難度，但由于其晶體質(zhì)量高、價(jià)格低廉、易解理、導(dǎo)電性好和成熟的Si基集成技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，成為藍(lán)寶石襯底強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。但目前硅基生長(zhǎng)GaN還存在幾個(gè)主要困難：1)Si與GaN的晶格常數(shù)失配(17％)和熱膨脹系數(shù)失配(100％)較大。2)Si與GaN之間的浸潤(rùn)性差。3)在生長(zhǎng)氮化物過(guò)程

3、中容易形成SiaN4。因此，很難直接在硅襯底上制備出高質(zhì)量的GaN單晶。為了克服這些困難，兩步生長(zhǎng)技術(shù)已被廣泛采用：即在Si襯底和GaN薄膜之間首先生長(zhǎng)一層緩沖層，再外延生長(zhǎng)GaN，結(jié)果表明使用緩沖層可以大大提高薄膜的質(zhì)量。 在本文中，采用磁控濺射系統(tǒng)在Si襯底上先后制備緩沖層Co薄膜和Ga2O3薄膜，然后將濺射的樣品在氨氣氣氛中退火制備GaN納米結(jié)構(gòu)。用X射線衍射(XRD)、傅里葉紅外透射譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XP

4、S)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)和光致發(fā)光譜(PL)等測(cè)試手段詳細(xì)分析了GaN納米材料的結(jié)構(gòu)、組分、形貌和光致發(fā)光特性。通過(guò)研究不同生長(zhǎng)條件對(duì)制備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。另外，通過(guò)兩步合成法在Si襯底上制備GaN薄膜，研究退火溫度對(duì)GaN薄膜的影響。 1.合成一維GaN納米結(jié)構(gòu)在Si襯底上先利用磁控濺射法制備Co薄膜作為緩沖層，再在緩沖層上濺射一層較厚

5、的Ga2O3薄膜(約為500nm)，。然后把樣品放入高溫?cái)U(kuò)散爐中在氨氣中退火，退火后樣品表面為淺黃色。經(jīng)測(cè)試分析得出，樣品表面存在大量的GaN納米結(jié)構(gòu)。 2.氨化溫度對(duì)GaN納米結(jié)構(gòu)的影響氨化溫度對(duì)樣品的晶化質(zhì)量和表面形貌有很大影響，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，氨化溫度為950℃時(shí)，樣品的晶化質(zhì)量最好，合成的納米線為六方纖鋅礦型GaN單晶體。且納米線的形狀最規(guī)則、一致，表面最光滑平整。 3.氨化時(shí)間對(duì)GaN納米結(jié)構(gòu)的影響氨化時(shí)間對(duì)樣品

6、的表面形貌和晶化質(zhì)量的影響也非常明顯。選擇合適的氨化時(shí)間才會(huì)得到理想的一維高純GaN納米結(jié)構(gòu)。氨化時(shí)間過(guò)短(低于10min)氨化不完全，樣品表面沒(méi)有合成GaN納米結(jié)構(gòu)。隨著氨化時(shí)間的增加納米線的晶化質(zhì)量先提高后降低，納米結(jié)構(gòu)的形貌是先變好后變差。當(dāng)氨化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(高于25min)，一維納米結(jié)構(gòu)基本消失。 4.不同緩沖層厚度對(duì)合成GaN納米結(jié)構(gòu)的影響比較了兩種不同厚度的緩沖層(Co層)獲得的納米結(jié)構(gòu)，從其形貌和晶化質(zhì)量看，緩沖層厚度

7、10nm比30nm獲得的納米結(jié)構(gòu)質(zhì)量更好。 5.GaN納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)機(jī)制探索通過(guò)分析得知，緩沖層(Co層)對(duì)GaN納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)非常重要。高溫時(shí)，納米尺寸的Co層熔化成小液滴，改變了襯底的表面能分布，為GaN納米結(jié)構(gòu)提供了生長(zhǎng)點(diǎn)。創(chuàng)新的提出了缺陷能聚集限制生長(zhǎng)理論，并解釋了GaN納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)過(guò)程。 6.氨化合成GaN薄膜在Si襯底上用磁控濺射法先后濺射Co和Ga2O3薄膜，濺射時(shí)間分別為10分鐘和90分鐘，濺射的薄膜在氨