氧化鎵生長取向和形貌的控制研究.pdf

1、氧化鎵是一種新型直接寬帶隙半導體材料，禁帶寬度高達4.9 eV、擊穿電場可達3.5×106V/cm、電離能為5.9 eV，具有優(yōu)良的化學和熱穩(wěn)定性。非故意摻雜條件下制備的氧化鎵往往表現出高阻或弱n型導電特性，但適當摻入硅或者錫元素之后，其可以呈現良好的n型導電特性。基于上述優(yōu)點，氧化鎵材料在深紫外透明導電、日盲探測、氣體傳感和電子器件制造等方面具有十分重要的應用價值。為此，近年來人們越來越關注氧化鎵表面形貌的控制研究，該方向已成為當前氧

2、化物半導體材料領域里的研究前沿。
　　氧化鎵薄膜的制備方法有很多種，包括反應熱蒸發(fā)、噴霧熱分解、磁控濺射、化學氣相沉積、脈沖激光沉積、電子束蒸發(fā)和金屬有機化物氣相沉積(MOCVD)等。本論文利用MOCVD方法，以三乙基鎵和高純氧氣為鎵源和氧源來外延生長氧化鎵薄膜。通過改變襯底表面狀態(tài)和調節(jié)反應室內氣體壓強兩種方式，實現對氧化鎵薄膜表面形貌的控制。主要工作如下:
　　在論文的第一部分，我們選用GaN/Al2O3作為外延生長氧化

3、鎵材料的基板，并在不同溫度下對GaN基板進行熱氧化處理，詳細研究了GaN表面的氧化狀態(tài)對外延生長的氧化鎵薄膜的結晶特性的影響。X射線衍射測試結果表明， GaN基板熱氧化狀態(tài)受氧化溫度影響顯著:在550℃～650℃的相對低溫條件下，熱氧化后的GaN基板表面出現了具有(601)面取向性的氧化鎵薄層;當熱氧化溫度在750℃時，在GaN基板并未形成具有取向性的氧化鎵薄層;而當熱氧化溫度升高至850℃時，GaN基板上出現明顯的具有((2)01)單

4、一取向性的氧化鎵薄層;但是繼續(xù)升高熱氧化溫度至950℃后，GaN層發(fā)生較為劇烈的分解與氧化，使得形成的氧化鎵薄層表現出多種取向性。同時我們發(fā)現，在上述熱氧化基板上繼續(xù)外延生長的氧化鎵薄膜的取向性，與基板表面氧化鎵薄層相一致。這表明可以通過控制GaN基板表面的熱氧化狀態(tài)來控制氧化鎵薄膜的取向性。
　　在論文的第二部分，我們研究了MOCVD設備反應室內氣體壓強對氧化鎵薄膜表面形貌的影響。利用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡等測試設備對在不

5、同氣壓下制備出的氧化鎵薄膜進行了表征和分析。當生長氣壓為400Pa時，氧化鎵薄膜表現出島狀生長模式，其表面粗糙，透光率較差;而生長氣壓升高到2000Pa時，得到的氧化鎵為致密的薄膜表面鑲嵌著大尺寸的顆粒結構，較影響其在可見光范圍內的透射;繼續(xù)提高生長氣壓達到7000Pa時，制備出的氧化鎵薄膜表現為致密的厚膜結構，然而當生長氣壓過大時(20000Pa)，反應物的預反應變得十分劇烈，引起物理堆積效應明顯，導致氧化鎵薄膜的質量相比于前幾種情況