Ga_2O_3薄膜的电子束蒸发制备与掺杂及其性质研究

【摘要】：β-Ga2O3是一种直接、宽带隙半导体材料,带隙宽度在4.2-4.9eV之间。β-Ga2O3具有很好的光学和电学特性,在近紫外、可见光和近红外区域透过率很高。室温单晶β-Ga2O3由于氧缺陷、镓缺陷的存在呈现n型导电特性。其他元素,如Si、Sn掺入可以提高β-Ga2O3的导电特性。Dy、Eu和N元素掺入可以改变Ga203材料的光学特性。因为β-Ga2O3薄膜在紫外区具有较高的光电导特性,β-Ga2O3材料被认为是一种新颖的、有发展前景的深紫外日盲探测器材料。目前许多薄膜沉积和生长技术被用来制备β-Ga2O3薄膜材料,如金属有机物化学气相沉积(Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)、分子束外延(Molecular beam epitaxy, MBE)、脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition, PLD)、溅射等,而热蒸发技术是传统、成熟、沉积速率快、易于工业生产的一种常用的制备薄膜技术,目前关于电子束蒸发技术制备β-Ga2O3薄膜材料鲜少有报道。多晶半导体材料由于结构特殊,相对于单晶材料比较容易制备,而且具有很多优越的性质,现在已经成为半导体材料研究的热点问题之一。本文主要利用电子束蒸发技术分别在蓝宝石和硅衬底上制备了β-Ga2O3薄膜和Cu掺杂的β-Ga2O3薄膜。具体研究内容如下： 采用电子束蒸发技术,在蓝宝石衬底上制备了高透过率的β-Ga2O3薄膜。然后将β-Ga2O3薄膜在1000℃温度下、氧气和氮气氛围中进行退火处理,比较退火氛围对β-Ga2O3薄膜晶体结构、表面形貌和光学特性影响。实验结果发现,氧气氛围退火更有利于提高β-Ga2O3薄膜晶体质量。在氧气中退火后,β-Ga2O3薄膜光致发光谱探测到了330nm紫外波段发光和706nm近红外波段发光。β-Ga2O3多晶薄膜光学禁带宽度5.1和5.7eV,与单晶的体材料β-Ga2O3有很大区别,根据薄膜的X射线衍射谱(X-ray diffraction, XRD)、表面形貌和透射电镜选区电子衍射谱证实薄膜是多晶结构,β-Ga2O3薄膜中包裹着不同尺寸的晶粒,在量子尺寸效应的作用下,β-Ga2O3的光学带隙增大。红外光谱探测到了特征吸收峰位于460cm-1波数Ga-O伸缩振动吸收峰,670cm-1波数的与β-Ga2O3材料相关的吸收峰,以及760cm-1波数的Ga-OH伸缩振动吸收峰。此外发现新的吸收峰,位于560cm-1波数位置,推测是与β-Ga2O3材料相关的伸缩振动吸收峰。 基于蓝宝石衬底的GaN半导体二极管(Light emitting diodes, LED)由于衬底的热导性、电导性差,而限制了高功率的LED器件制备。采用衬底剥离技术,实现衬底转移可以提高器件功率,同时提高蓝宝石衬底应用,降低器件制作成本。β-Ga2O3与蓝宝石衬底和GaN材料都有较小的晶格失配,是非常好GaN材料LED器件牺牲层材料。因为采用MOCVD技术外延生长GaN一般需要1000℃左右的生长成核温度,β-Ga2O3材料在1000℃温度结构稳定性是需要研究的重点内容,它直接影响着GaN基LED器件质量。因而论文首次研究1000℃氧气的氛围中,Ga203结构和光学性质随着退火时间的变化关系。实验结果说明退火后β-Ga2O3薄膜是多晶结构。退火后样品的晶体质量相对于未退火样品都提高了,XRD衍射峰强度增加同时半高宽减小,退火时间30、60和90分钟的时候,衍射峰强度变化不大,但是当时间到120分钟的时候,衍射峰强度明显减弱,说明薄膜晶体质量开始变坏。同样的现象在表面形貌和发光谱中都观测到了,因而实验说明在30-90分钟内,β-Ga2O3薄膜性质稳定,时间到达120分钟后薄膜性质变差。 原创性地采用电子束蒸发物理方法在蓝宝石衬底上制备了Cu掺杂β-Ga2O3薄膜,研究了Cu元素掺杂对β-Ga2O3薄膜的结构特性和光学特性的影响,光致发光光谱测试结果发现Cu元素掺杂使薄膜的黄绿发光峰位置红移到520nm波长,XRD衍射峰的位置也发生了偏移,因为Cu离子半径大于Ga离子半径,因而Cu取代Ga位,使晶格发生了微小变化。X射线光电子能谱发现了二价铜离子和一价铜离子的存在。然后系统的研究了退火温度、衬底生长温度和生长速率等因素对Cu掺杂β-Ga2O3薄膜的结构特性和光学特性影响。实验结果说明衬底400℃、退火温度1000℃有利于制备高质量的Cu掺杂β-Ga2O3薄膜,该实验参数对研究Cu掺杂β-Ga2O3薄膜提供了有意义的参考。 初步探索了在硅衬底上沉积制备β-Ga2O3薄膜和Cu掺杂β-Ga2O3薄膜特性,研究了硅衬底上生长β-Ga2O3薄膜和Cu掺杂β-Ga2O3薄膜XRD特性、红外光谱(Fourier transforming infrared, FTIR)特性和发光特性。

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN304.2