六方氧化镓薄膜的制备及氮化与掺杂特性研究

发布时间：2017-11-19 11:09

  本文关键词：六方氧化镓薄膜的制备及氮化与掺杂特性研究

  更多相关文章： ε-Ga_2O_3 MOCVD 热退火 氮化 XRD SEM 锌掺杂

【摘要】：半导体材料在信息技术的各个领域都有着广泛的应用,在它们的基础上制备的半导体器件正在逐步改善着人类的生活。随着信息时代的不断发展,人们迫切需要发现新型半导体材料来满足科技的发展,这时,氧化物半导体进入了人们的研究范围。Ga203作为新型氧化物半导体材料的代表,近年来受到国内外学者的广泛关注。Ga_2O_3是一种宽禁带直接带隙半导体材料,呈现出五种同分异构体,分别是α-Ga203、γ-Ga203、δ-Ga_2O_3 β-Ga_2O_3和ε-Ga_2O_3五种结构,其中单斜晶系β-Ga_2O_3是最为稳定的晶体结构。Ga_2O_3的禁带宽度位于4.2-4.9eV之间,并以其优良的化学性质和热稳定性在紫外探测器、场效应晶体管、透明导电薄膜等领域都有着较为广泛的应用。Ga203薄膜常用的制备工艺方法有：磁控溅射法、分子束外延(MBE)、金属有机物化合物气相沉积(MOCVD)等方法。目前关于β-Ga_2O_3材料外延生长的技术方法的报道比较多,而对于其他晶体结构的研究报道则比较少。基于以上的研究背景,本论文开展了对ε-Ga_2O_3材料生长以及特性的研究,本文是利用MOCVD技术方法在6H-SiC、蓝宝石衬底上外延生长￡-Ga_2O_3薄膜,并分别对它们进行了在N2和NH3的不同氛围内的热处理,然后系统地研究了热处理前后薄膜的晶体结构、外延关系、表面形貌等性质的变化；随后研究了Zn源流量对MOCVD方法生长氧化镓薄膜特性的影响。本论文的主要研究内容及结果如下：(1)研究了不同的退火温度对ε-Ga_2O_3薄膜的晶体结构以及样品表面形貌的影响,利用MOCVD设备,用高纯TEGa作为Ga源,高纯O2作为氧源,Ar作为载气,在6H-SiC衬底上外延生长ε-Ga_2O_3薄膜,生长温度为500℃,随后在N2氛围下退火30min,退火温度分别是800℃、850℃和900℃,然后对样品进行X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)测试。对不同退火温度下的样品进行XRD测试结果分析得出ε-Ga_2O_3薄膜在850℃时开始向β-Ga_2O_3转变,900℃时已经完全转变为β-Ga_2O_3, ε-Ga_2O_3的热稳定性可以维持在800℃左右。通过高分辨率X射线衍射测试结果得出￡-Ga203和6H-SiC衬底的面内外延关系为ε-Ga_2O_3 (1120)//6H-SiC(1120),面外外延关系为ε-Ga_2O_3 (0001)//6H-SiC(0001)。从SEM图像的分析结果可知ε-Ga_2O_3薄膜的表面是连续且平整的,ε-Ga_2O_3薄膜的热稳定性维持在800℃左右。从AFM测试结果得出样品的表面粗糙程度先增大后减小,其变化规律和SEM测试结果得出的变化规律是一致的。(2)研究了氮化处理前后的ε-Ga_2O_3薄膜的晶体结构以及薄膜组分的变化。利用上述同样的条件在蓝宝石衬底上外延生长ε-Ga_2O_3薄膜,然后在NH3氛围内退火30min,对两组样品进行的XRD、XPS、SEM、AFM、透射谱等测试。从XRD测试结果可以得到氮化处理后的样品表面有GaN薄膜形成,并且具有C轴择优取向的特点。从XPS测试结果可知氮化后的样品表面有氮化物生成。从SEM图像可以看出氮化处理后的ε-Ga_2O_3薄膜表面有网状结构生成。透射谱测试结果表面氮化处理后的样品在365nm位置处(GaN薄膜的本征吸收边)有着很明显的光吸收现象,表明ε-Ga_2O_3薄膜表面有GaN晶体生成。然后研究了Zn源输入量对ε-Ga_2O_3薄膜的影响,利用金属有机物化学气相沉积方法,以三乙基镓为镓源,二乙基锌作为掺杂锌源,高纯氧气作为氧源,高纯氩气作为载气,在锌源流量为0.36、0.72、1.44 μmol/min的条件下制备了三种锌掺杂氧化镓薄膜样品。利用薄膜厚度分析仪、X射线衍射仪和紫外-可见双光束分光光度计测试方法对样品的膜厚、晶体结构、光学特性进行了表征。同时,利用热蒸发方法在薄膜表面制备钛铝电极,并对其进行了Ⅰ-Ⅴ特性测试。相关测试结果表明,氧化镓薄膜的结晶和光学质量随着锌源流量的增加而提高。当锌源流量为1.44μmol/min时,所制备的氧化镓薄膜为ε相,且具有(0002)面择优取向,其光学带隙为4.93eV,在350-800nm可见光区平均透射率高于97%。但是掺杂氧化镓薄膜的导电性随着Zn源流量增加而略微降低,我们认为这是由于掺杂Zn原子未激活,以及氧化镓晶体质量提高使得薄膜中起导电作用的固有缺陷密度降低所致。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.055

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 弭伟;Beta-氧化镓异质外延薄膜的制备及特性研究[D];山东大学;2014年

2 刘远达;氧化锌薄膜铜镓掺杂及其相关发光器件制备[D];大连理工大学;2013年

，

本文编号：1203332