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氧化镓籽晶层的制备及其对外延生长氧化镓薄膜的影响

孙婷  
【摘要】:氧化镓是一种新型宽带隙的半导体材料,以单斜晶系的p相最为稳定。氧化镓的禁带宽度在4.2eV-4.9eV之间[2],具有优良的化学稳定性和热稳定性,非故意掺杂的氧化镓材料呈现出高阻或者弱n型导电特性,掺入适量的硅或者锡原子则可显示出明显的n型导电特性(电阻率可小于10-3欧姆厘米)。其在深紫外透明导电[3]、紫外探测、电致发光[5]、气敏传感[6]和电子器件[7]等方面具有广阔的应用前景。特别是其在日盲探测器和高温氧气传感器方面给的应用优势,使得高质量氧化镓材料的制备成为目前半导体材料研究领域里的新热点。 本文首先采用磁控溅射方法于室温下在c面蓝宝石(A1203)衬底上制备一层氧化镓籽晶层,并对部分带有籽晶层的衬底进行退火处理;其次利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法在有和无籽晶层的c面Al2O3衬底上外延生长氧化镓薄膜。主要工作如下: 1.采用低压MOCVD方法直接在c面Al2O3衬底上制备Ga2O3薄膜。利用XRD和紫外-可见-红外双光束分光光度计研究了样品的结晶和光学特性。发现直接在c面Al2O3衬底上生长的Ga2O3薄膜呈无定型状态,其可见光透射率较低,光学带隙明显小于其禁带宽度。上述结果表明,利用低压MOCVD方法较难直接在c面Al2O3衬底上外延生长出高质量的Ga2O3薄膜。 2.为了解决上述问题,我们利用射频磁控溅射技术在c面Al2O3衬底上预先沉积一薄层Ga2O3作为后续生长的籽晶层,而后再利用低压MOCVD方法,在该种衬底上外延生长Ga203薄膜。实验结果表明,相对于直接在A1203衬底上生长的Ga203薄膜,在具有籽晶层的衬底上生长的Ga203薄膜的晶体质量和光学特性都有所提高,但是效果并不理想。 3.基于上述研究结果,我们对Ga203籽晶层进行高温退火,发现处理后的Ga203籽晶层具有择优取向性。XRD测试结果表明,利用MOCVD方法在该籽晶层上外延生长的Ga203薄膜也具有择优取向性,其在可见光波段的透射率显著增大,光学带隙与禁带宽度接近,Ga203薄膜的光学质量获得显著提高。上述结果表明,经高温退火处理后的氧化镓籽晶层的引入,有利于高质量Ga203薄膜的外延生长。 4.本论文还研究了MOCVD外延生长结束后,降温过程中反应室内氧气压力对制备的Ga203薄膜结晶和光学特性的影响。发现在无氧降温条件下获得的Ga203薄膜的结晶质量较差,薄膜在可见光区的透射率明显降低且光学带隙变小;当氧分压分提高到10000Pa后,所制备的Ga203薄膜的晶体质量和光学质量在实验所设条件中最佳。


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