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激光调控氮化物薄膜晶体质量研究

东芳  
【摘要】:图形化GaN、AlN或蓝宝石衬底,已被业内证明是提高薄膜质量的有效方法,而激光作为单步制备微/纳米结构的一种新方法已应用于很多领域。飞秒激光可以高精度、高效率地直接在材料上刻蚀形成小尺度的微纳图形;也可以诱导薄膜产生周期性微纳结构,实现快速无材料去除的高效图形化。另外退火是薄膜生长提高薄膜质量的常用手段,激光退火工艺在单晶硅制备中被广泛应用,因此探索利用激光对GaN类薄膜退火,实现提高薄膜质量的目的也非常必要。本论文预设计集成于MBE腔内的激光调控装置,原位实施激光图形化及激光局部退火工艺从而降低薄膜缺陷、提升薄膜性能。因此课题先非原位探索激光在薄膜生长过程中进行质量调控的可行性。主要的研究内容以及研究结论如下:(1)飞秒激光直写AlN薄膜图形化及薄膜再生长研究。研究了飞秒激光与宽禁带材料作用的机理,基于Fokker-plank方程和Drude方程,仿真分析了飞秒激光非热无损加工的可行性。实验探索了飞秒激光直写AlN薄膜的激光加工工艺参数,并验证了当激光光斑在加工区域重叠较小,且激光脉冲能量接近加工阈值时在被加工区域产生较低的热积累,电子与晶格之间的相互热作用很低,可以忽略不计。AlN薄膜经飞秒激光处理后具有一致性非常好的图形形貌,结晶质量和残余应力变化较小,飞秒激光作用于AlN薄膜,薄膜整体呈现压应力状态。通过TEM超分辨成像分析飞秒激光作用处晶格的变化,得出飞秒激光图形化AlN薄膜造成的损伤范围小于1nm。(2)飞秒激光图形化后AlN薄膜的侧向外延再生长研究。研究了飞秒激光图形化后AlN薄膜的侧向外延再生长,利用XRD、拉曼等分析了图形对薄膜质量的调控效果,利用TEM测试分析了飞秒激光图形化薄膜位错的演化规律。研究证明在飞秒激光图形化的AlN薄膜上再生长的AlN薄膜,其螺位错减少。在此基础上进一步研究了飞秒激光图形化AlN薄膜上GaN薄膜的再生长,并研究了几种不同图形对再生长薄膜质量的调控效果,同样实现了螺位错的减少。(3)激光诱导薄膜图形化研究。因GaN在高温下易分解,研究纳秒紫外激光诱导GaN产生周期性结构(LIPSS)的规律,发现在355nm激光照射下,镓滴很容易产生,并且产生了周期性结构。通过多种测试表征技术研究了激光作用后形成的多种形态的微纳米结构;研究了飞秒激光照射GaN后形成的LIPSS的规律,及LIPSS微纳结构的周期性分布特点;研究了紫外飞秒,绿光飞秒及红外飞秒诱导的周期性结构的差异及形成机理,发现Λ/2的高空间频率LIPSS((High space frequency LIPSS,HSFL)和Λ/2的低空间频率LIPSS(Low space frequency LIPSS,LSFL)的形成过程:首先形成100nm左右的浅坑,随后形成HSFL,然后转变为LSFL+HSFL结构,并在其上伴有100 nm浅坑的均匀分布;GaN薄膜的压应力随飞秒激光辐照脉冲数的增加而增加,薄膜收缩。通过拉曼、SEM、TEM测试及含时密度泛函理论(TDDFT)仿真,揭示了飞秒激光诱导的LIPSS与355nm纳秒激光诱导LIPSS的不同形成机理,在材料没有被去除的情况下,飞秒激光作用于GaN上形成的波纹,与材料被激光诱导之初因氮元素减少形成的缺陷集聚引起的材料自组织行为有关。通过控制激光加工参数,可实现对图形结构排列方向,深度,间距的控制。LIPSS是一种制造微纳图形的非常有潜力的手段。(4)利用激光退火提升AlN薄膜质量研究。退火是薄膜生长提高薄膜质量的常用手段,利用不同能量的纳秒绿激光对300nm未完全成膜、含有孔洞状态的AlN薄膜进行退火,实验发现AlN薄膜的孔洞有效减少。尤其在镀有钨过渡层的情况下,孔洞减少效果明显,在激光能量较高时,薄膜产生了裂纹。实验证明了纳秒激光退火可以促进薄膜孔洞的愈合并提升薄膜晶体质量。并利用分子动力学仿真研究了激光熔融薄膜后AlN再结晶的过程,仿真得出在皮秒级以上的降温速率下,再结晶过程可以有效促进薄膜六方金刚石形态(纤锌矿结构)的生长。并利用一维热传导方程,给出了退火时薄膜产生裂纹的原因。(5)集成于MBE腔体内用于薄膜质量原位调控的激光装置设计。结合将激光调控设备集成于MBE腔内的需求,设计了激光调控装置的整体方案,设计了激光光纤传输方案将飞秒激光器输出激光引入MBE腔体;设计了光纤传导成像方案,实现MBE内的薄膜衬底在MBE腔外的成像,方便飞秒激光处理薄膜时光斑位置的调节;利用柱透镜结合四象限探测器成像创新设计了激光自动对焦方案,以确保激光调控效果的一致性;设计了将激光调控装置集成于MBE真空腔内的固化小型化方案,满足集成空间要求。


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