碳化硅、氮化鎵和扎鎵石榴石襯底β-Ga2O3外延薄膜的制備及性質(zhì)研究.pdf

1、β相三氧化二鎵(β-Ga2O3)為超寬帶隙透明氧化物半導(dǎo)體材料，在高溫高壓電子器件、太陽(yáng)盲區(qū)紫外探測(cè)器和透明薄膜晶體管等領(lǐng)域中都有著非常廣泛的應(yīng)用潛力，因此，Ga2O3材料成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。采用磁控濺射、電子蒸發(fā)等傳統(tǒng)工藝制備的β-Ga2O3薄膜材料結(jié)晶質(zhì)量較差，多為非晶和多晶，不能滿足高品質(zhì)的半導(dǎo)體光電子器件的要求。目前β-Ga2O3單晶片的價(jià)格非常昂貴，且β-Ga2O3材料的熱導(dǎo)率比較差，因此有必要開展β-Ga2O3薄膜的異質(zhì)

2、外延的研究工作。本論文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法(MOCVD)在碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和扎鎵石榴石(GGG)襯底上制備了β-Ga2O3薄膜，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行不同溫度的空氣中退火，并且研究了退火溫度對(duì)薄膜晶格結(jié)構(gòu)和光學(xué)等性質(zhì)的影響。
　　實(shí)驗(yàn)中采用高純Ga(CH3)3作為Ga有機(jī)源，高純O2作為氧化劑，超高純N2作為載氣，有機(jī)源摩爾流量為8.2×10-6mol/min，襯底溫度為660℃。在空氣中分別進(jìn)行800℃、900℃

3、和1000℃退火處理，退火時(shí)間為1h。在SiC(0001)、GaN(0001)和GGG(110)單晶襯底上成功制備出β-Ga2O3外延單晶薄膜，主要研究工作和結(jié)果如下:
　　1、SiC(0001)襯底上β-Ga2O3薄膜的制備與性質(zhì)研究:
　　結(jié)構(gòu)分析表明未退火和800℃退火條件下獲得的Ga2O3薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，900℃退火后薄膜樣品的結(jié)晶質(zhì)量最好，薄膜為沿[100]單一取向生長(zhǎng)的β-Ga2O3。β-Ga2O3薄膜與SiC的

4、面外生長(zhǎng)關(guān)系為β-Ga2O3(100)‖SiC(0001)。退火溫度達(dá)到1000℃時(shí)，獲得的薄膜為多晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶質(zhì)量明顯變差。
　　2、GaN(0001)襯底上β-Ga2O3薄膜的制備與性質(zhì)研究:
　　XRD分析表明未退火和800℃退火條件下獲得的Ga2O3薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，900℃退火后薄膜樣品的結(jié)晶質(zhì)量最好，薄膜為沿[100]單一取向生長(zhǎng)的β-Ga2O3。退火處理溫度升至1000℃時(shí)，獲得的薄膜為多晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶質(zhì)量明顯變差

5、。對(duì)于900℃退火后薄膜樣品，β-Ga2O3薄膜與GaN的面外外延關(guān)系為β-Ga2O3(100)‖GaN(0001)，面內(nèi)外延關(guān)系為β-Ga2O3＜010＞‖GaN＜(1)2(1)0＞和β-Ga2O3＜001＞‖GaN＜(1)010＞。Φ掃描分析還表明所制備的β-Ga2O3(100)薄膜存在三重疇結(jié)構(gòu)，這是由于GaN(0001)襯底相對(duì)于[100]方向具有三重對(duì)稱性的緣故。
　　3、GGG(110)襯底上β-Ga2O3薄膜的制備與

6、性質(zhì)研究:
　　結(jié)構(gòu)分析表明未退火獲得的Ga2O3薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，1000℃退火獲得的薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)。800℃與900℃退火后的薄膜為沿[100]單一取向生長(zhǎng)的β-Ga2O3，900℃退火后薄膜樣品的結(jié)晶質(zhì)量最好。β-Ga2O3薄膜與GGG襯底的外延關(guān)系為β-Ga2O3(100)‖GGG(110)、β-Ga2O3＜010＞‖GGG[00(1)]和β-Ga2O3＜001＞‖GGG[(1)10]。在未退火、800℃、900℃和10

7、00℃退火條件下獲得的Ga2O3薄膜的光學(xué)帶隙(Eg)分別為4.83、4.76、4.60和4.74eV。室溫下，800℃和900℃退火后的薄膜均出現(xiàn)波長(zhǎng)范圍位于330nm-520nm的光致發(fā)光帶，對(duì)900℃退火的樣品進(jìn)行高斯擬合分析，可以得出分別位于348.7nm、392.6nm、403.9nm、429.1nm、452.6nm和484.1nm附近的六個(gè)發(fā)光峰，我們將其歸因于薄膜導(dǎo)帶、價(jià)帶以及薄膜內(nèi)部缺陷形成的施主和受主能級(jí)間的電子躍遷發(fā)