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预处理与离子注入GaN外延材料的性能研究

梅俊平  
【摘要】:GaN基体系材料具有禁带宽度宽、热稳定和化学稳定性好,波长范围大的特点,在光电子和微电子领域有着极其广泛的应用前景。本文利用MOCVD生长技术,在经过预处理的衬底上外延生长出高质量的GaN薄膜,并对GaN的特性进行了系统研究。另外,利用离子注入技术制备出过渡族金属掺杂的GaN基稀磁半导体,从注入引起的结构变化研究铁磁性的起源问题。结果如下: 1.研究了蓝宝石衬底预处理的腐蚀工艺,结果表明:采用浓磷酸溶液,在265℃下,腐蚀45~50分钟,得到了具有较理想图形的蓝宝石衬底。 2.利用XRD分析了衬底预处理对GaN薄膜晶体质量的影响。结果表明:在经过预处理的蓝宝石衬底上外延生长的GaN薄膜显出更好的结晶质量。其XRD(0002)面上的半峰宽为293arcsec,(10 2)面半峰宽为560arcsec;位错密度降低到9.6×10~6cm~(-2);在15μm×15μm尺寸内,其均方根粗糙度(RMS)为1.898nm;其压应力也降低到0.071GPa。 3.研究了快速热处理对GaN薄膜性能的影响。随着退火温度的升高,GaN薄膜晶体质量逐渐提高。对GaN薄膜进行950℃快速热处理后,其(0002)面半峰宽为301arcsec;其载流子浓度则高达1×10~(18)cm~(-3)。 4.利用离子注入技术制备出过渡族金属(Fe、Ni)掺杂的GaN基稀磁半导体材料,观察到部分样品具有明显的室温铁磁性。注入热处理后GaN的晶体质量是由注入剂量和退火温度共同决定的。能量为150KeV,剂量为1×10~(16)cm~(-2)的Fe离子注入,在800℃热退火处理后,GaN外延层的晶格质量较好且铁磁性最强。并在研究注入对微结构的影响的过程中,对铁磁性的起源进行了探讨。


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