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蓝宝石衬底上氧化镓薄膜的生长与退火研究

冯艳彬  
【摘要】:Ga203作为一种新型半导体材料,具有α、β、ε、δ和γ五种晶体结构,其中以单斜晶系p-Ga203最为常见。β-Ga2O3是一种直接宽带隙氧化物半导体材料,其禁带宽度在4.5~4.9eV之间,并具有良好的化学和热稳定性,因此日益成为当前氧化物半导体领域的研究热点之一。β-Ga2O3材料在日盲探测器、深紫外透明导电薄膜、气敏传感器以及薄膜晶体管等多个领域都有着广泛的应用前景。实现β-Ga203在这些领域的应用的前提是获得高质量的β-Ga2O3薄膜。制备p-Ga203薄膜的方法有很多,主要包括高温喷雾热解法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、电子束蒸发法以及金属有机物化学气相沉积法等,相对于其他生长方法而言,金属有机物化学气相沉积法在制备高质量半导体薄膜领域有其独特的优势。 基于上述背景,本文采用金属有机物化学气相沉积方法在c面蓝宝石衬底上制备了β-Ga203薄膜,并对其进行了在O2和N2两种气氛下不同时间和温度的退火处理,对退火前后薄膜的晶体质量和光学性质进行了表征和分析。主要研究内容可分为以下两个部分: 一、研究了未退火β-Ga2O3薄膜的晶体质量和光学特性。XRD测试结果表明,薄膜为择优取向为(乏01)的单一相p-Ga203薄膜,且β-Ga2O3的(201)晶面与蓝宝石衬底的(0001)面平行。计算得到β-Ga2O3的晶格常数a、b、c和夹角p分别为1.185nm、0.308nm、0.531nm和111.7°,对比参考值可知p-Ga203薄膜在平行于衬底的平面内受到张应力的作用,而在垂直于衬底的方向上受到压应力的作用。‘透射谱测试结果表明β-Ga203薄膜在可见光波段具有90%以上的透射率,在近紫外波段具有75%以上的透射率,光学带隙为4.93eV。 二、研究了不同的退火条件对β-Ga2O3薄膜的晶体质量和光学特性的影响。随着退火时间的增加和退火温度的升高,β-Ga2O3薄膜内部的残余应力逐步得到释放,薄膜中缺陷密度增加,结晶质量下降。SEM测试表明薄膜的表面粗糙度先增大后减小,受此影响,薄膜的透射率随退火时间的增加和退火温度的升高表现出先减小后增大的变化趋势。p-Ga203薄膜经退火处理后,.光学带隙由4.94eV下降到4.79eV,这意味着退火有使薄膜向单晶薄膜转变的趋势。


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