Ga-,2-O-,3-氮化法合成GaN粉體和薄膜的研究.pdf

1、GaN是一種優(yōu)秀的寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，具有寬的直接帶隙，室溫下禁帶寬度為3.39eV；GaN具有強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)性等性質(zhì)以及強(qiáng)的熱輻射、抗腐蝕能力，不僅是短波長(zhǎng)電子材料也是高溫半導(dǎo)體的換代材料。GaN在短波長(zhǎng)光電器件領(lǐng)域及紫外波段的探測(cè)器研究方面?zhèn)涫苤匾?。另外，GaN還具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和高熱導(dǎo)率、高擊穿電壓、高電子飽和速度等特點(diǎn)。因此，GaN材料在制備高溫、高頻、大功率器件以及光存儲(chǔ)、光探測(cè)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景

2、和巨大的市場(chǎng)潛力。 目前，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)利用金屬有機(jī)物質(zhì)汽相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)及高頻等離子體化學(xué)汽相沉積法(PlasmaCVD)技術(shù)等在不同襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的薄膜。但上述方法設(shè)備昂貴，工藝方法復(fù)雜，影響了GaN基半導(dǎo)體光電器件的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，探索一種簡(jiǎn)易的合成GaN材料的工藝方法已十分必要。本文采用氮化Ga2O3的方法，在管式電爐中成功地合成了GaN粉體和薄膜，探索了一種低成本制備GaN材料的新工藝

3、。 本實(shí)驗(yàn)在管式電爐中以Ga2O3提供Gad源，NH3提供N源，在高溫常壓下制備高溫半導(dǎo)體GaN粉體以及在硅基片上沉積GaN薄膜，并研究了各種工藝參數(shù)如反應(yīng)溫度、NH3的流量、Si基片的溫度、保溫時(shí)間、硅基片的表面清潔度、反應(yīng)前后處理等因素對(duì)合成GaN粉體和沉積GaN薄膜的影響。并用XRD、SEM和AFM對(duì)制得的樣品進(jìn)行了檢測(cè)。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及測(cè)試分析，得到以下結(jié)論： (1)用高純的Ga2O3和NH3在1050℃，N

4、H3流量26L/h時(shí)可合成高純度的六方晶型GaN粉體。 (2)溫度是影響合成GaN粉體最重要的因素，溫度越高，合成速率越快，但溫度太高會(huì)容易產(chǎn)生燒結(jié)。 (3)用高純的Ga2O3和NH3在1125℃，NH3流量26～30L/h時(shí)可在Si＜111＞沉積大量的GaN薄膜。 (4)硅基片的溫度、NH3流量對(duì)沉積薄膜影響很大，硅基片的溫度越高，流量越小越容易沉積，晶粒越大。 (5)合成GaN粉體低溫的反應(yīng)機(jī)理是Ga

5、2O3分解成活性Gad原子和活性Ga2O分子后，NH3與Ga2O反應(yīng)生成GaN，高溫的反應(yīng)機(jī)理是高溫下Ga2O3分解成活性Gad原子和活性Ga2O分子，NH3分解為活性N原子和NH2分子后，活性Gad原子與N原子結(jié)合生成GaN，同時(shí)活性Ga2O分子與NH3分子生成GaN。因此低溫和高溫的反應(yīng)機(jī)理是不相同的。硅基片上成薄膜的機(jī)理與合成GaN粉體的高溫機(jī)理相同。 (6)實(shí)驗(yàn)得到的GaN半導(dǎo)體由于存在N空位和Si雜質(zhì)為n型半導(dǎo)體，且同