金属钼衬底上GaN/MoS2异质结的生长与性能研究

摘要

近年来，类石墨烯层状二维（2D）材料二硫化钼（MoS2）由于具有良好的光电性质和机械性能引起了人们的广泛关注，有望成为开发下一代微电子器件和光电器件的候选者之一。 氮化镓（GaN）是Ⅲ族氮化物半导体材料，它具有较高的电子漂移速度、耐高温、导热性良好等特性，因此被广泛用于半导体激光器（LD）、半导体发光二极管（LED）及探测器等领域，也在制备高频、高温及大功率器件方面发挥着重要的作用。 本文研究了GaN/MoS2异质结的生长，因MoS2与GaN之间的晶格失配较小（0.8%）且热膨胀系数相近，这样可以实现GaN的低位错、高质量生长。为以后实现3D/2D异质结器件提供了可能，同时扩充了3D半导体的发展领域。 本文利用化学气相沉积法（CVD），在高真空管式炉（科晶OTF-1200X）装置中，以硫粉（S）和三氧化钼（MoO3）粉末为原料，将氩气（Ar）作为载气，在一定温度和压强条件下，在金属钼（Mo）衬底上生长MoS2薄膜。并通过不同的检测手段对不同生长温度和不同MoO3用量下MoS2薄膜的结构、形貌以及电学特性进行表征测试。结果显示：MoS2生长的最佳条件为：反应物MoO3粉末为1.6g，S粉为0.6g，生长温度为925℃，Ar流量为50sccm。在这种条件下，MoS2薄膜沿（002）方向择优生长，最大晶粒为76.4nm，最小平均粗糙度为41.6nm。Mo衬底与MoS2表现出一定的肖特基接触特性。 在合成MoS2薄膜的基础上，本文使用第二代电子回旋共振等离子体增强金属有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）反应装置生长GaN外延层薄膜。重点研究了不同生长温度对GaN薄膜结构、形貌及光电性能的影响。结果显示：GaN/MoS2异质结的最佳生长条件为：缓冲层温度为500℃，三甲基镓（TMGa）流量为0.8sccm，氮气（N2）流量为100sccm；生长层温度为700℃，TMGa流量为0.8sccm，N2流量为100sccm。在此条件下GaN薄膜沿（002）方向择优生长，晶粒尺寸较大。且经过计算GaN薄膜表面存在c轴张应力，张应力为-1.73GPa。电流-电压（I-V）测试结果表明GaN与MoS2之间表现出近乎肖特基接触，GaN表面缺陷相对较小。光致发光谱（PL）测试表明带边发光峰发生了一定的蓝移。这主要是由于GaN薄膜存在c轴张应力以及小晶粒的量子尺寸效应所造成的。

目录

声明

1 绪论

1.1 MoS2材料的性质

（1）MoS2物理性质

（2）MoS2化学性质

（3）MoS2光电性质

1.2 MoS2的应用领域

（1）光电领域的应用

（2）润滑应用

（3）催化应用

（4）其他应用

1.3 MoS2的制备方法

1.3.1 高温硫化法

1.3.2 水热法

1.3.3 液相法

1.3.4 机械剥离法

1.3.5 化学气相沉积法（CVD）

1.4 GaN的基本性质

1.4.1 GaN的物理性质

1.4.2 GaN的光学性质

1.4.3 GaN的电学性质

1.5 GaN的制备方法

1.5.1 金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）

1.5.2 分子束外延法（MBE）

1.5.3 氢化物气相外延方法（HVPE）

1.6 衬底的选择

1.7 本文的研究内容及意义

2 实验设备与表征方法

2.1 实验设备

2.1.1 CVD系统高真空管式炉OTF

2.1.2 ECR-PEMOCVD

2.2 薄膜表征手段

2.2.1 X射线衍射仪（XRD）

2.2.2 反射高能电子衍射（RHEED）

2.2.3 表面轮廓仪（ZYGO）

2.2.4 原子力显微镜（AFM）

2.2.5 光致荧光发光谱（PL）

2.2.6 电流-电压测试（I-V）

3 CVD法制备MoS2薄膜及性能研究

3.1 实验过程

（1）衬底的抛光、清洗及腐蚀处理：

（2）实验进行

3.2 温度对MoS2薄膜的性能影响

3.2.1 实验参数

3.2.2 XRD测试结果与分析

3.2.3 I-V测试结果与分析

3.3 MoO3用量对MoS2薄膜的性能影响

3.3.1 实验参数

3.3.2 XRD测试结果与分析

3.3.3 AFM测试结果与分析

3.4 本章小结

4 MoS2/Mo衬底上GaN薄膜的制备及性能研究

4.1 实验过程

4.1.1 氮化后MoS2薄膜的生长

4.1.2 GaN缓冲层的生长

4.1.3 GaN生长层的生长

4.2 温度对GaN/MoS2/Mo异质结的影响

4.2.1 RHEED测试结果与分析

4.2.2 XRD测试结果与分析

4.2.3 I-V测试结果与分析

4.2.4 AFM测试结果与分析

4.2.5 PL谱测试结果与分析

4.3 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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