氨化磁控濺射Ga-,2-O-,3--Tb薄膜制備GaN納米結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、GaN是一種非常優(yōu)異的Ⅲ-V族寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高發(fā)光效率、高熱導(dǎo)率、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強(qiáng)度和高硬度等特性。室溫下GaN的禁帶寬度是3.4 eV可以實(shí)現(xiàn)從紅外到紫外全可見光范圍的光發(fā)射和紅、黃、藍(lán)三原色具備的全光固體顯示，在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用前景。目前GaN基器件大多數(shù)制作在藍(lán)寶石襯底上。由于藍(lán)寶石價(jià)格昂貴、襯底自身絕緣且硬度大、器件工藝復(fù)雜、制作成本費(fèi)用高，且其導(dǎo)熱性能差，不利于大功率器件的制作，硅襯底則

2、可以彌補(bǔ)這些不足。因此，開展Si基GaN薄膜材料的外延生長意義重大。雖然以Si為襯底的六方GaN材料的生長有一定難度，但由于其晶體質(zhì)量高、價(jià)格低廉、易解理、良好的導(dǎo)電性和成熟的Si基集成技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，成為藍(lán)寶石襯底強(qiáng)有力的競爭者。 本文采用氨化Ga2O3/Tb薄膜的方法制備了一維GaN納米結(jié)構(gòu)，對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌、成分和發(fā)光特性進(jìn)行了深入的分析和研究，并對(duì)其生長機(jī)制進(jìn)行了初步探索。研究了中間層的特性及其對(duì)生長GaN納米結(jié)構(gòu)的影響；研究

3、了氨化溫度和氨化時(shí)間對(duì)制各納米結(jié)構(gòu)的影響。所取得的主要研究結(jié)果如下： 1.用磁控濺射和氨化法制備GaN納米結(jié)構(gòu)及其特性用稀土金屬鋱Tb作為中間層，利用磁控濺射法在Si襯底上濺射一層Tb薄膜，再利用磁控濺射法在Tb層上濺射一層較厚的Ga2O3薄膜(約為500nm)。然后對(duì)濺射的GazO3/Tb薄膜在氨氣氣氛下退火制備GaN納米結(jié)構(gòu)。通過改變退火時(shí)間、退火溫度及中間層的厚度研究其對(duì)合成的GaN納米結(jié)構(gòu)的影響。研究表明：不同的退火溫度

4、、退火時(shí)間和中間層的厚度對(duì)合成GaN納米結(jié)構(gòu)都有很大影響，合成的一維納米結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的單晶GaN，表現(xiàn)為形貌各異的納米線、納米棒及輻射狀結(jié)構(gòu)等。 2.GaN納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性室溫下，用波長為298nm光激發(fā)樣品表面，出現(xiàn)369nm和387nm兩處發(fā)光峰，改變實(shí)驗(yàn)條件發(fā)光峰位置基本沒有隨之發(fā)生移動(dòng)，只是發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生了變化。對(duì)于中心位于369m處的發(fā)光峰對(duì)應(yīng)于六方GaN納米結(jié)構(gòu)的近帶邊發(fā)射；由于合成GaN納米結(jié)構(gòu)時(shí)利用了Tb

5、中間層，對(duì)于位于387m處的發(fā)光峰可能歸因于雜質(zhì)能級(jí)的躍遷；也可能與在氨化過程中和GaN重組過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)。 3.對(duì)GaN納米結(jié)構(gòu)生長機(jī)制的探索在高溫氨化的過程中，雖然稀土金屬Tb的熔點(diǎn)高于氨化溫度，但納米顆粒的熔點(diǎn)比體金屬的熔點(diǎn)低，在高溫氨化過程Tb薄膜破裂形成Tb納米顆粒，這些納米顆粒為GaN納米結(jié)構(gòu)的形成提供了有利的成核點(diǎn)，同時(shí)，高溫下氨氣逐步分解成NH2、NH、H2、N2等產(chǎn)物，固態(tài)Ga203與H2反應(yīng)生成中間產(chǎn)物氣態(tài)

6、的Ga2O，隨后與體系中氨氣揮發(fā)運(yùn)動(dòng)到襯底并在此發(fā)生催化反應(yīng)首先得到GaN晶核，這些晶核落在合適的生長位置上，再作為下一個(gè)晶核生長的依托點(diǎn)，隨著氨化過程的進(jìn)行GaN晶核繼續(xù)長成GaN微晶，當(dāng)微晶的生長方向沿著相同的方向生長，就形成了單晶GaN納米線、納米棒、納米顆粒。在多次實(shí)驗(yàn)樣品的掃描圖片中，我們觀察到在一些納米結(jié)構(gòu)的頂端存在納米顆粒，因此生長機(jī)制很可能為氣—液—固機(jī)制(VLS)。我們也在Si襯底上直接沉積Ga2O3薄膜并在相同的條件