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氨化硅基磁控溅射Ga_2O_3/Co薄膜制备GaN纳米结构和薄膜的研究

秦丽霞  
【摘要】: 以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ-Ⅴ族氮化物作为第三代半导体材料,由于在蓝光二极管、紫外探测器和短波长激光器等固体光电子器件方面的产业化应用,成为近些年来持续的研究热点,其材料的光电性质得到了广泛的理论以及实验研究。相比之下,有关低维纳米结构的制备、纳米结构和单晶薄膜生长过程中的物理机理研究等方面的实验工作相对缺乏。 目前GaN基器件大多数制作在蓝宝石衬底上。由于蓝宝石价格昂贵、衬底自身绝缘且硬度大、器件工艺复杂、制作成本费用高,且由于它导热性能差,不利于大功率器件的制作,硅衬底则可以弥补这些不足。因此,开展Si基GaN薄膜材料的外延生长意义重大。虽然以Si为衬底的六方GaN材料的生长有一定难度,但由于其晶体质量高、价格低廉、易解理、导电性好和成熟的Si基集成技术等优点,成为蓝宝石衬底强有力的竞争者。但目前硅基生长GaN还存在几个主要困难:1) Si与GaN的晶格常数失配(17%)和热膨胀系数失配(100%)较大。2) Si与GaN之间的浸润性差。3)在生长氮化物过程中容易形成Si_3N_4。因此,很难直接在硅衬底上制备出高质量的GaN单晶。为了克服这些困难,两步生长技术已被广泛采用:即在Si衬底和GaN薄膜之间首先生长一层缓冲层,再外延生长GaN,结果表明使用缓冲层可以大大提高薄膜的质量。 在本文中,采用磁控溅射系统在Si衬底上先后制备缓冲层Co薄膜和Ga_2O_3薄膜,然后将溅射的样品在氨气气氛中退火制备GaN纳米结构。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外透射谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和光致发光谱(PL)等测试手段详细分析了GaN纳米材料的结构、组分、形貌和光致发光特性。通过研究不同生长条件对制备GaN纳米结构的影响,初步提出并探讨了此方法合成GaN纳米结构的生长机制。另外,通过两步合成法在Si衬底上制备GaN薄膜,研究退火温度对GaN薄膜的影响。 1.合成一维GaN纳米结构 在Si衬底上先利用磁控溅射法制备Co薄膜作为缓冲层,再在缓冲层上溅射一层较厚的Ga2O3薄膜(约为500nm)。然后把样品放入高温扩散炉中在氨气中退火,退火后样品表面为浅黄色。经测试分析得出,样品表面存在大量的GaN纳米结构。 2.氨化温度对GaN纳米结构的影响 氨化温度对样品的晶化质量和表面形貌有很大影响,通过比较发现,氨化温度为950℃时,样品的晶化质量最好,合成的纳米线为六方纤锌矿型GaN单晶体。且纳米线的形状最规则、一致,表面最光滑平整。 3.氨化时间对GaN纳米结构的影响 氨化时间对样品的表面形貌和晶化质量的影响也非常明显。选择合适的氨化时间才会得到理想的一维高纯GaN纳米结构。氨化时间过短(低于10min),氨化不完全,样品表面没有合成GaN纳米结构。随着氨化时间的增加纳米线的晶化质量先提高后降低,纳米结构的形貌是先变好后变差。当氨化时间过长(高于25min),一维纳米结构基本消失。 4.不同缓冲层厚度对合成GaN纳米结构的影响 比较了两种不同厚度的缓冲层(Co层)获得的纳米结构,从其形貌和晶化质量看,缓冲层厚度10nm比30nm获得的纳米结构质量更好。 5.GaN纳米结构生长机制探索 通过分析得知,缓冲层(Co层)对GaN纳米结构的生长非常重要。高温时,纳米尺寸的Co层熔化成小液滴,改变了衬底的表面能分布,为GaN纳米结构提供了生长点。创新的提出了缺陷能聚集限制生长理论,并解释了GaN纳米结构的生长过程。 6.氨化合成GaN薄膜 在Si衬底上用磁控溅射法先后溅射Co和Ga_2O_3薄膜,溅射时间分别为10分钟和90分钟,溅射的薄膜在氨气氛围中退火,退火温度分别为900℃、950℃、1000℃和1050℃,退火后样品表面生成GaN薄膜。对薄膜的晶化质量和表面形貌进行了对比分析。


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