基于ECr-PEMOCVD技术在镀钛玻璃衬底上低温沉积GaN薄膜特性研究

摘要

氮化镓(GaN)是Ⅲ-Ⅴ族宽带隙半导体材料，晶体结构为六方纤锌矿结构，在室温下的禁带宽度为3.39 eV，在光电子和微电子领域的应用前景广阔。由于GaN和InN、AlN合金的能带宽度是连续可调的，因此可作为蓝光和绿光半导体二极管的理想材料。另一方面GaN良好的热稳定性，又使其成为高温和高功率器件的理想材料。但是工业上很难得到大量的GaN晶体，许多研究人员都是通过异质外延的方法获得GaN薄膜，其中蓝宝石(α-Al2O3)是使用最广泛的衬底。然而，其昂贵的价格和其电绝缘性以及低的导热性限制了GaN在器件尤其是高功率器件方面的应用。与此相反，金属是电和热的理想导体，在金属衬底上直接外延生长GaN薄膜相对来说是较好的一种方法。
　　目前，已经有在铜和银衬底上外延生长GaN薄膜的报导，然而传统的生长技术需要高的生长温度，这会导致金属衬底和GaN薄膜接触面之间发生一系列的有害反应，且加剧衬底中的金属粒子向GaN薄膜中的扩散。为了解决这一问题，本论文使用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)低温生长方法来沉积GaN薄膜。
　　本文通过以三甲基镓(TMGa)为镓源，N2为氮源，获得了高c轴择优取向的GaN薄膜。并且对样品做了一系列测试来研究了氮化时间和TMGa流量分别对外延生长GaN薄膜的质量以及Ti/GaN结构电学性质的影响。测试手段包括:反射高能电子衍射(RHEED)、原子力显微镜(AFM)、光致发光光谱、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱和I-V特性等。通过以上测试可以总结出在镀钛玻璃衬底上外延生长GaN薄膜的最佳TMGa流量和最优氮化时间。其中，在TMGa流量为1.0 sccm，氮化时间为20 min，流量为100 sccm，沉积温度为380℃的条件下，可以获得结晶质量较好的GaN薄膜。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 概述

1．2 GaN的性质

1．2．1 GaN的晶体结构

1．2．2 GaN的物理性质

1．2．3 GaN的化学性质

1．2．4 GaN的光学性质

1．2．5 GaN的电学性质

1．3 衬底的选择

1．3．1 α-Al2O3

1．3．2 6H-SiC

1．3．3 Si

1．3．4 玻璃衬底

1．3．5 其他衬底

1．4 GaN的应用

1．4．1 发光二极管(LED)

1．4．2 半导体激光器(LD)

1．4．3 紫外(UV)光电探测器

1．4．4 微电子器件

1．5 本章小结

2 GaN薄膜的外延模式和方法及其影响因素

2．1 GaN薄膜的外延模式

2．1．1 岛状生长(Volmer-Weber)模式

2．1．2 层状生长(Frank-vander Merwe)模式

2．1．3 层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式

2．2 GaN薄膜的生长方法

2．2．1 氢化物气象外延(HVPE)

2．2．2 金属有机物气象沉积(MOCVD)

2．2．3 分子束外延(MBE)

2．3 影响薄膜生长的因素

2．3．1 衬底材料

2．3．2 反应室真空度

2．3．3 反应源的流速

2．3．4 衬底温度

2．4 本章小结

3 实验过程和表征方法

3．1 实验设备

3．1．1 磁控溅射设备

3．1．2 ECR-PEMOCVD

3．2 薄膜的表征方法

3．2．1 反射式高能电子衍射(RHEED)

3．2．2 X射线衍射(XRD)

3．2．3 原子力显微镜(AFM)

3．2．4 拉曼光谱(Raman)

3．2．5 I-V特性测试

3．3 样品制备

3．3．1 玻璃衬底预处理

3．3．2 钛薄膜的制备

3．3．3 GaN薄膜的制备

3．4 本章小结

4 不同TMGa流量对沉积GaN薄膜质量的影响

4．1 不同TMGa流量下GaN薄膜的制备

4．2 结果与讨论

4．2．1 RHEED图像分析

4．2．2 XRD测试分析

4．2．3 AFM图像分析

4．2．4 Raman光谱分析

4．2．5 I-V特性测试

4．3 小结

5 不同氮化时间对沉积GaN薄膜质量的影响

5．1 不同TMGa流量下GaN薄膜的制备

5．2 结果与讨论

5．2．1 RHEED图像分析

5．2．2 XRD测试分析

5．2．3 AFM图像分析

5．2．4 光学性能的分析(PL谱)

5．2．5 I-V特性测试

5．3 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