氮化镓基和氧化镓基低维纳米结构的制备与表征

发布时间：2020-08-26 07:05

【摘要】：半导体材料的发展主要经历了三个阶段,与前两代半导体材料相比,第三代半导体材料具有宽带隙,高击穿电场,高导热率,高电子饱和率和更高的耐辐射性,所以也被称为高温半导体材料和宽禁带半导体材料,作为第三代半导体材料的代表,氮化镓(GaN)和氧化镓(GaO)基纳米结构被广泛应用于蓝光LED、紫外LED、光电探测器以及HEMT器件等。正因为其优良的性能和广泛的用途,GaN和GaO基的二维薄膜材料和镓铟合金纳米颗粒或者纳米液滴的制备与表征成为了当今研究的热点。由于GaN的单晶材料造价昂贵且很难获得,目前获得氮化镓薄膜的途径主要是采用在氢气气氛下以蓝宝石为衬底采用异质结外延生长,薄膜缺陷密度大,质量较低,而使用氢气作为反应气氛虽然可以提高反应腔内温度,加快反应物在衬底表面的迁移速率,优化氮化镓外延层的质量,但是同时也带来了安全性差和价格昂贵等缺点。因此,如何在更加安全廉价的氮气气氛下生长出高质量的氮化镓薄膜就成为了人们关注的焦点。而更换氮气气氛则带来了一系列技术难点,最大的难点在于如何在氮气气氛下外延生长高质量的GaN成核层,这需要我们从生长时间、反应温度、Ga源流量等方面寻找一套与之匹配的最佳生长参数。本文首先在氮气气氛下,利用金属有机气相外延(MOCVD)方法在(0001)面的蓝宝石衬底上外延生长了(11-20)面氮化镓薄膜,并通过改变反应腔的压强、反应温度、Ga源流量和反应时间等参数研究了不同条件对成核层表面形貌的影响,并据此寻找氮气气氛下外延生长GaN的最佳参数为:反应时间2min以内、反应温度应在750℃以下。接着对氮化镓成核层样品进行再位退火的研究,通过改变退火温度、退火时长以及退火气氛,研究不同参数条件下退火后表面形貌的变化,利用AFM扫描图像分析得到最佳退火条件,以及不同条件下的退火规律。最后利用范得瓦尔斯(vdW)剥离法制备了GaO基共晶镓铟合金纳米液滴,利用AFM对液滴的尺寸和形貌进行了表征,并对液滴形成的机理进行了解释。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304
【图文】：

纤锌矿结构,NaCl结构,晶体结构,闪锌矿结构

图 1.1 GaN 三种不同的晶体结构（1）六方纤锌矿结构；（2）NaCl 结构；（3）闪锌矿结构AlN、GaN 和 InN 的化学键的键能分别为 2.88eV（63.5kcal/mol）、2.2e8.5kcal/mol）和 1.93eV（42.5kcal/mol），它们可以组成三元（ ABNx 1 x）或

示意图,内部结构,示意图

MBE内部结构示意图

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薄膜均匀性不好，HVPE 立式反应器结构如图 1.3 所示。图 1.3 立式 HVPE 工作原理示意图1.3.3 金属有机气相外延（MOCVD）又叫做金属有机化学气相沉积，是目前生产和制备ⅢⅤ化合物光电子、微电子材料和器件的主要方法之一。它是一种非平衡的生长技术，利用开管流动系统中，金属有机化合物和非金属氢化物之间的化学反应来生长化合物半导体的气相外延生长技术，最早由 Manasevit 在 1968 年提出[31]，后被广泛应用于制作各种

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