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

1、以氮化鎵(GaN)為代表的Ⅲ-V族氮化物作為第三代半導體材料，由于在藍光二極管、紫外探測器和短波長激光器等固體光電子器件方面的產(chǎn)業(yè)化應用，成為近些年來持續(xù)的研究熱點，其材料的光電性質(zhì)得到了廣泛的理論以及實驗研究。相比之下，有關低維納米結(jié)構的制備、納米結(jié)構和單晶薄膜生長過程中的物理機理研究等方面的實驗工作相對缺乏。 目前GaN基器件大多數(shù)制作在藍寶石襯底上。由于藍寶石價格昂貴、襯底自身絕緣且硬度大、器件工藝復雜、制作成本費用高，且

2、由于它導熱性能差，不利于大功率器件的制作，硅襯底則可以彌補這些不足。因此，開展Si基GaN薄膜材料的外延生長意義重大。雖然以Si為襯底的六方GaN材料的生長有一定難度，但由于其晶體質(zhì)量高、價格低廉、易解理、導電性好和成熟的Si基集成技術等優(yōu)點，成為藍寶石襯底強有力的競爭者。但目前硅基生長GaN還存在幾個主要困難：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之間的浸潤性差。3)在生長氮化物過程

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，兩步生長技術已被廣泛采用：即在Si襯底和GaN薄膜之間首先生長一層緩沖層，再外延生長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。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)等測試手段詳細分析了GaN納米材料的結(jié)構、組分、形貌和光致發(fā)光特性。通過研究不同生長條件對制備GaN納米結(jié)構的影響，初步提出并探討了此方法合成GaN納米結(jié)構的生長機制。另外，通過兩步合成法在Si襯底上制備GaN薄膜，研究退火溫度對GaN薄膜的影響。 1.合成一維GaN納米結(jié)構在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擴散爐中在氨氣中退火，退火后樣品表面為淺黃色。經(jīng)測試分析得出，樣品表面存在大量的GaN納米結(jié)構。 2.氨化溫度對GaN納米結(jié)構的影響氨化溫度對樣品的晶化質(zhì)量和表面形貌有很大影響，通過比較發(fā)現(xiàn)，氨化溫度為950℃時，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.氨化時間對GaN納米結(jié)構的影響氨化時間對樣品

6、的表面形貌和晶化質(zhì)量的影響也非常明顯。選擇合適的氨化時間才會得到理想的一維高純GaN納米結(jié)構。氨化時間過短(低于10min)氨化不完全，樣品表面沒有合成GaN納米結(jié)構。隨著氨化時間的增加納米線的晶化質(zhì)量先提高后降低，納米結(jié)構的形貌是先變好后變差。當氨化時間過長(高于25min)，一維納米結(jié)構基本消失。 4.不同緩沖層厚度對合成GaN納米結(jié)構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，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)構質(zhì)量更好。 5.GaN納米結(jié)構生長機制探索通過分析得知，緩沖層(Co層)對GaN納米結(jié)構的生長非常重要。高溫時，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)構提供了生長點。創(chuàng)新的提出了缺陷能聚集限制生長理論，并解釋了GaN納米結(jié)構的生長過程。 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，濺射時間分別為10分鐘和90分鐘，濺射的薄膜在氨