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脉冲激光沉积(PLD)半导体材料结构特性的研究

刘玫  
【摘要】:以GaN为主的Ⅲ-Ⅴ族氮化物和以ZnO为主的Ⅱ-Ⅵ族氧化物是近年来光电子材料领域研究的热门课题。GaN熔点高、硬度大、禁带宽度大、化学性质稳定,在高亮度蓝、绿光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等领域有着广阔的应用潜力和良好的市场前景。ZnO也是宽带隙半导体材料,它具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化。 本研究采用脉冲激光沉积法制备出GaN和结晶的ZnO薄膜,结晶的GaN薄膜经过进一步高温退火制得,初步研究了薄膜制备时的参数:衬底温度,退火温度,聚焦透镜与靶之间的距离以及气体压强对薄膜生长的影响,并对实验结果进行了分析和解释。主要内容如下: 1.详细分析了脉冲激光沉积(PLD)技术的原理、特点以及在沉积过程中采用不同的激光能量密度、衬底温度、气压和靶距对PLD过程影响。 2.由于GaN本身硬度较大,熔点较高的特点,我们采用两步法分别在Si和蓝宝石衬底上制得结晶GaN薄膜,即先用PLD方法直接在衬底上沉积GaN,而后将制备好的样品放入高温扩散炉中在氨气氛围中退火15分钟。而ZnO薄膜是氧化物,熔点相对较低,较易结晶,所以直接改变PLD法中不同的制备参数就可得到c轴择优取向好的六方纤锌矿结构的ZnO薄膜。PLD过程中,我们采用波长为1064 nm,Quanta-Ray DCR-3型Nd:YAG激光器直接打在与所要制备的薄膜材料具有相同成分的靶上。退火过程主要在高温扩散炉氨气氛围中进行。实验用到的主要测试手段为X射线衍射(XRD)、红外吸收光谱(IR)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、荧光光谱(PL)和拉曼光谱(Raman)。 3.研究了在Si衬底上制备GaN薄膜过程中不同的退火温度(900-1050℃)和在蓝宝石衬底上制备GaN薄膜过程中,不同氮气压强(0.15-15 Pa)对制备的GaN薄膜的表面形貌、结构特性、内部应力的影响。实验发现,仅用PLD方法不能够得到高质量的GaN薄膜,而再经过在氨气氛围内退火15分钟后,退火温度会


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