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文檔簡介
1、以GaN為代表的寬禁帶 III族氮化物半導(dǎo)體材料在短波長高亮度藍紫光發(fā)光器件、藍紫光激光器、光探測器以及高頻高功率電子器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。自上世紀90年代初日本科學(xué)家Nakamura以MOCVD技術(shù)在國際上首次實現(xiàn)了GaN基藍光LED以來,各類GaN基光電器件進入了高速發(fā)展階段,MOCVD技術(shù)成為制備GaN基器件外延材料的主流技術(shù)。盡管如此,MOCVD技術(shù)在制備GaN基外延材料方面也存在弊端,如過高的生長溫度(>10
2、00℃)帶給薄膜高的背景載流子濃度以及薄膜的均勻性差等。本文由此為出發(fā)點,利用等離子增強原子層沉積技術(shù)(PE-ALD)生長溫度低、薄膜厚度精確可控、獨有的保形性等優(yōu)勢,實現(xiàn)GaN薄膜的低溫生長。
分別以三甲基鎵(TMG)和N2/H2混合氣作為Ga源和N源前驅(qū)體,利用PE-ALD技術(shù)在不同工藝參數(shù)條件下制備GaN薄膜樣品,利用橢圓偏振光譜儀、GIXRD、XPS、AFM等對薄膜樣品進行表征,系統(tǒng)地對TMG脈沖時間、N2/H2混合氣
3、脈沖時間以及溫度參數(shù)進行優(yōu)化,確定了其生長溫度窗口。實驗結(jié)果表明:GaN薄膜的生長速率與N2/H2混合等離子體脈沖時間、生長溫度密切相關(guān),但與TMG脈沖時間無關(guān);TMG和N2/H2混合等離子體最佳脈沖時間分別為0.01 s和30 s,以TMG和N2/H2混合氣為前驅(qū)體制備GaN薄膜的生長溫度窗口為210-270℃。生長溫度較低時GaN薄膜呈非晶態(tài),生長溫度較高時薄膜呈多晶態(tài),以(002)取向為主。薄膜中N元素全都以N-Ga鍵存在,大部分
4、的Ga元素與N結(jié)合形成Ga-N鍵生成GaN,有少量的Ga元素與O雜質(zhì)元素結(jié)合成Ga-O鍵生成Ga2O3,多晶GaN薄膜含有少量非晶態(tài)Ga2O3。生長溫度越高時,薄膜的雜質(zhì)含量越低,其光電性能便越好,黃光與帶邊發(fā)光強度比越低,載流子遷移率越高。
利用PE-ALD技術(shù)采用三種不同種類的氮源(NH3、N2和N2/H2混合氣)生長GaN薄膜,利用GIXRD、AFM、XPS以及橢圓偏振光譜儀對薄膜進行表征和分析。實驗結(jié)果表明:氮源種類對
5、GaN薄膜結(jié)晶質(zhì)量有著較大影響。氮源為NH3時,薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較差;氮源為N2時,薄膜有著一定的結(jié)晶度,但結(jié)晶質(zhì)量不高;氮源為N2/H2混合氣時,薄膜有著較高的結(jié)晶質(zhì)量,為多晶薄膜。氮源中H的存在能有效促進甲基的斷裂和薄膜的生長,但H、N含量的過高或過低都會抑制薄膜的生長速率。
以水熱合成技術(shù)生長ZnO NWs為襯底,利用PE-ALD技術(shù)在ZnO NWs上生長GaN包覆層,成功制備出GaN/ZnO NWs同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu),這種一維
6、同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)是其他氣相沉積技術(shù)難以完成的,該同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的成功制備具有一定先進性。利用XRD、FESEM、EDS、PL光譜等手段對該同軸異質(zhì)結(jié)進行表征和分析。實驗結(jié)果表明:GaN/ZnO NWs同軸異質(zhì)結(jié)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),與襯底ZnO NWs的結(jié)構(gòu)保持一致;同時GaN/ZnO NWs同軸異質(zhì)結(jié)中Ga元素和N元素在整個納米線區(qū)域從上到下均勻地分布著,表明GaN包覆層均勻地異質(zhì)外延生長于ZnO NWs上。GaN/ZnO NWs同軸異質(zhì)結(jié)室溫
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