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氧化镓生长取向和形貌的控制研究

庄睿  
【摘要】:氧化镓是一种新型直接宽带隙半导体材料,禁带宽度高达4.9eV、击穿电场可达3.5×106V/cm、电离能为5.9eV,具有优良的化学和热稳定性。非故意掺杂条件下制备的氧化镓往往表现出高阻或弱n型导电特性,但适当掺入硅或者锡元素之后,其可以呈现良好的n型导电特性。基于上述优点,氧化镓材料在深紫外透明导电、日盲探测、气体传感和电子器件制造等方面具有十分重要的应用价值。为此,近年来人们越来越关注氧化镓表面形貌的控制研究,该方向已成为当前氧化物半导体材料领域里的研究前沿。 氧化镓薄膜的制备方法有很多种,包括反应热蒸发、喷雾热分解、磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、电子束蒸发和金属有机化物气相沉积(MOCVD)等。本论文利用MOCVD方法,以三乙基镓和高纯氧气为镓源和氧源来外延生长氧化镓薄膜。通过改变衬底表面状态和调节反应室内气体压强两种方式,实现对氧化镓薄膜表面形貌的控制。主要工作如下: 在论文的第一部分,我们选用GaN/Al2O3作为外延生长氧化镓材料的基板,并在不同温度下对GaN基板进行热氧化处理,详细研究了GaN表面的氧化状态对外延生长的氧化镓薄膜的结晶特性的影响。X射线衍射测试结果表明,GaN基板热氧化状态受氧化温度影响显著:在550℃-650℃的相对低温条件下,热氧化后的GaN基板表面出现了具有(601)面取向性的氧化镓薄层;当热氧化温度在750℃时,在GaN基板并未形成具有取向性的氧化镓薄层;而当热氧化温度升高至850℃时,GaN基板上出现明显的具有(201)单一取向性的氧化镓薄层;但是继续升高热氧化温度至950℃后,GaN层发生较为剧烈的分解与氧化,使得形成的氧化镓薄层表现出多种取向性。同时我们发现,在上述热氧化基板上继续外延生长的氧化镓薄膜的取向性,与基板表面氧化镓薄层相一致。这表明可以通过控制GaN基板表面的热氧化状态来控制氧化镓薄膜的取向性。 在论文的第二部分,我们研究了MOCVD设备反应室内气体压强对氧化镓薄膜表面形貌的影响。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜等测试设备对在不同气压下制备出的氧化镓薄膜进行了表征和分析。当生长气压为400Pa时,氧化镓薄膜表现出岛状生长模式,其表面粗糙,透光率较差;而生长气压升高到2000Pa时,得到的氧化镓为致密的薄膜表面镶嵌着大尺寸的颗粒结构,较影响其在可见光范围内的透射;继续提高生长气压达到7000Pa时,制备出的氧化镓薄膜表现为致密的厚膜结构,然而当生长气压过大时(20000Pa),反应物的预反应变得十分剧烈,引起物理堆积效应明显,导致氧化镓薄膜的质量相比于前几种情况来说发生严重下降。上述实验结果表明,利用MOCVD方法制备氧化镓薄膜时,可通过调控反应室内气体压强实现对氧化镓薄膜表面形貌的控制。


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