多晶GaN薄膜的制備與特性研究.pdf

1、本文通過MOCVD方法制備了多晶GaN薄膜，并且得出了MOCVD系統(tǒng)生長多晶GaN薄膜的優(yōu)化生長條件，較系統(tǒng)地分析了不同生長條件與退火工藝對樣品結(jié)構(gòu)組分，表面形貌，電學(xué)特性與發(fā)光特性的影響，并給出了相關(guān)解釋。 利用MOCVD方法在Si和藍寶石襯底上制備多晶GaN薄膜，生長過程中未做有意攙雜，Ga源與氮源分別為TMGa和NH3,Ⅲ/Ⅴ族流量比分別為1∶250，1∶500，1∶1000；反應(yīng)室的壓強分別為50(Torr)、100(T

2、orr)、200(Torr)、300(Torr)和400(Torr)；反應(yīng)溫度為900℃、950℃和1000℃；反應(yīng)時間1小時；退火溫度900℃，時間分別為1小時和2小時。 通過X射線衍射譜，制備GaN薄膜呈現(xiàn)多晶態(tài)，X射線光電子能譜也說明制備的樣品是GaN。通過不同反應(yīng)條件制備的樣品結(jié)構(gòu)特性的對比，Ⅲ/Ⅴ流量比為1∶250和1∶500，擇優(yōu)晶粒尺寸分別為65nm和73nm：反應(yīng)壓強為200(Torr)和300(Torr)，擇優(yōu)

3、晶粒尺寸分別為65mm和80mm；生長溫度900℃和950℃，擇優(yōu)晶粒尺寸分別為80nm和93nm：生長時間為一個小時的條件下，MOCVD系統(tǒng)生長的多晶GaN薄膜衍射峰強度較高，半高寬較小，薄膜結(jié)晶程度較好。不同襯底下，藍寶石上生長的薄膜衍射峰強度遠大于Si襯底，半高寬較小，擇優(yōu)晶粒尺寸為115nm，說明藍寶石比Si更適合用來作為襯底材料。退火工藝則主要影響了薄膜的擇優(yōu)取向。同時，SEM圖像也直觀地反應(yīng)了不同反應(yīng)壓強和不同襯底上制各樣品

4、表面形貌的差異。 通過霍耳測量，表明制備的多晶GaN薄膜樣品導(dǎo)電類型為n型。對應(yīng)不同的生長條件，Ⅲ/Ⅴ流量比為1∶500，反應(yīng)壓強300(Torr)，生長溫度900℃，時間一個小時條件下生長的樣品，其載流子濃度最高達到2.71×1018(cm-3)；表明施主型缺陷(N空位)的濃度不是決定非攙雜多晶GaN薄膜電子濃度的唯一因素，GaN晶粒間界的缺陷密度也對載流子濃度有重要影響，隨晶粒間界缺陷密度的增大，載流子的濃度降低。同樣，對應(yīng)

5、不同的生長條件，Ⅲ/Ⅴ流量比為1∶250，反應(yīng)壓強200(Torr)，生長溫度900℃，時間一個小時條件下生長的樣品，其載流子遷移率達到最大141(cm2/Vs)；這說明制備的多晶GaN薄膜樣品，GaN晶粒勢壘區(qū)的勢壘高度是決定載流子遷移率的重要因素。退火工藝對多晶GaN薄膜的電學(xué)性質(zhì)并沒有太大的改善，表明多晶GaN薄膜的電學(xué)性質(zhì)相關(guān)于許多的物理過程和物理參數(shù)，分析清楚退火對這些不同物理過程和參數(shù)的影響和作用還需進一步深入的研究。制備的

6、多晶GaN薄膜樣品的光致發(fā)光譜中主要出現(xiàn)了374nm、400nm和450nm三個峰，374nm對應(yīng)于近帶邊紫外發(fā)光，通過GaN光學(xué)帶隙的比較，認為是帶邊的電子躍遷；對于400nm，來源于導(dǎo)帶到受主CN(碳填充氮空位的受主缺陷)的電子躍遷，而450nm左右的藍光峰對應(yīng)于深施主到受主的電子躍遷。不同生長條件下，Ⅲ/V流量比1:250，反應(yīng)壓強200(Torr)，溫度900℃，時間1小時生長的薄膜具有本征發(fā)光，強度較高；反應(yīng)壓強造成的薄膜缺陷