Mn摻雜Ga2O3薄膜的制備、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能研究.pdf

1、Ga2O3是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,禁帶寬度(Eg)為4.2~4.9 eV,其導(dǎo)電性能和發(fā)光特性長(zhǎng)期以來一直受到人們的關(guān)注。Ga2O3有5種晶體結(jié)構(gòu),包括α-Ga2O3、β-Ga2O3、γ-Ga2O3、ε-Ga2O3、δ-Ga2O3。其中具有單斜結(jié)構(gòu)的β-Ga2O3在室溫下最穩(wěn)定,在稀磁半導(dǎo)體、發(fā)光材料、氣體傳感器、GaAs太陽(yáng)能電池的消反射涂層、深紫外透明導(dǎo)電氧化物材料以及氨化處理制備GaN高質(zhì)量外延薄膜等方面有著廣泛的應(yīng)用。作為目前已

2、知的禁帶寬度最大的透明導(dǎo)電材料,β-Ga2O3在紫外和可見區(qū)透過率達(dá)80％以上,是一種潛在的紫外光電器件的電極材料和紫外探測(cè)材料。理論計(jì)算表明,Mn摻雜會(huì)在Ga2O3價(jià)帶頂引入若干雜質(zhì)能級(jí),使其光學(xué)帶隙變窄?？刂芃n摻雜含量,可實(shí)現(xiàn)Ga2O3光學(xué)帶隙的調(diào)節(jié),有望制備出帶隙可調(diào)的紫外探測(cè)器和對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的紫外濾光片。此外,Ga2O3摻Mn能夠產(chǎn)生自旋極化,在室溫或高于室溫下具備鐵磁性。因此,通過適當(dāng)?shù)闹苽涔に囍苽涑龈哔|(zhì)量的Ga2O3薄膜,

3、有望實(shí)現(xiàn)Ga2O3基高溫稀磁半導(dǎo)體。Ga2O3薄膜的制備與現(xiàn)代鍍膜工藝相容,通過適當(dāng)?shù)墓に嚳刂坪透男匝芯?制備出高質(zhì)量、高性能的Ga2O3薄膜,對(duì)光電探測(cè)和自旋電子學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒕哂兄卮笠饬x。
　　本文采用磁控共濺射法制備Mn摻雜Ga2O3薄膜,使用SEM、XRD、UV-vis分光光度計(jì)、橢圓偏振儀等對(duì)制備樣品進(jìn)行表征,研究了Ga2O3薄膜的制備工藝、退火溫度和Mn摻雜含量對(duì)Mn摻雜Ga2O3薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、光吸收性能以及光學(xué)常數(shù)

4、的影響,主要結(jié)論如下:1.采用磁控共濺射法,可制備出接近化學(xué)計(jì)量比的Mn摻雜Ga2O3薄膜。
　　本工作最佳工藝參數(shù)為:工件轉(zhuǎn)速60 rpm,襯底溫度200-250℃,背景真空1.3 Pa,氧分壓0.6 Pa,濺射電壓850 V,濺射電流0.2A。2.適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌蚋纳芃n摻雜Ga2O3薄膜的表面形貌、晶粒分布和晶體結(jié)構(gòu)。(ⅰ)未退火Mn摻雜Ga2O3薄膜,晶粒較小、形狀不一、分布不均勻;而退火后的Mn摻雜Ga2O3薄膜,晶粒增

5、大,分布明顯改善,表面平整度有很大提高。(ⅱ)未退火的Ga2O3薄膜為非晶態(tài),退火后Ga2O3薄膜的結(jié)晶度明顯提高。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),γ-Ga2O3向β-Ga2O3轉(zhuǎn)化的相變溫度為600℃-750℃,750℃以上的溫度有利于單斜晶系β-Ga2O3的定向生長(zhǎng)。1000℃為比較合適的熱處理溫度。3.適量Mn摻雜能抑制Ga2O3薄膜的晶格膨脹,促進(jìn)晶粒的定向生長(zhǎng),得到尺寸分布較均勻的多面體狀β-Ga2O3晶粒。1.05 wt.％Mn摻雜可促進(jìn)Ga2O

6、3薄膜沿＜-401＞,＜-202＞,＜111＞和＜401＞方向生長(zhǎng),1.92、wt.％Mn摻雜可促進(jìn)Ga2O3薄膜沿＜-712＞方向生長(zhǎng)。過少或過多的Mn摻雜對(duì)促進(jìn)薄膜的定向生長(zhǎng)作用均減弱。4.隨著Mn摻雜濃度的提高,Mn摻雜Ga2O3薄膜光學(xué)帶隙變窄,吸收邊紅移,紫外波段吸收增強(qiáng)。摻雜前后的樣品折射率均滿足正常色散關(guān)系。Mn摻雜后Ga2O3薄膜的折射率與消光系數(shù)均有所增大。這表明,通過改變Mn摻雜含量可以調(diào)控Ga2O3的光學(xué)參數(shù),在紫