玻璃衬底上低温沉积GaN薄膜及其特性分析

摘要

氮化镓(GaN)属于Ⅲ-Ⅴ族直接带隙半导体，具有纤锌矿晶体结构，室温下的禁带宽度为3.39eV，是新一代宽禁带半导体材料，具有广泛的应用。首先，GaN可制成高效蓝、绿光发光二极管(LED)和激光二极管(LD)等光电子器件。同时，GaN基半导体材料具有电子漂移饱和速度高、热导率高以及化学和热稳定性好等特点，因此在高温、高频及大功率电子器件中也有着重要应用价值，如GaN基场效应晶体管(FET)和GaN基异质结双极型晶体管(HFET)等微电子器件。而由于缺乏高质量大面积的体单晶衬底材料，目前大多采用蓝宝石(α-Al2O3)或碳化硅(SiC)为衬底来异质外延GaN，但薄膜尺寸较小，一般直径不超过50mm，而且价格昂贵。2007年，澳大利亚BluGlass公司在直径150mm玻璃衬底上沉积的GaN发出蓝光，这说明可以在大尺寸玻璃片上沉积高质量LED材料，从而使得LED成本显著下降。同时表明，要实现大面积且低成本的LED光电子器件的商业化，普通玻璃衬底是其首选材料之一。 在普通玻璃衬底上沉积GaN薄膜，不仅成本低，而且可实现大面积化。为了实际应用，必须首先在非晶的玻璃衬底上低温沉积出高质量的GaN薄膜。 目前GaN的制备方法主要有物理方法和化学方法。物理方法包括各种蒸发和溅射；化学方法主要包括分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)等。在诸多方法中，由于MOCVD方法具有实验参数简单，工艺成熟，制备的薄膜质量高，较适合大规模工业化生产等特点，受到人们的重视。 本文采用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)方法，以康宁7101型普通玻璃为衬底，三甲基镓(TMGa)为镓源(以氢气为载气)，高纯氮气(纯度为5N)为氮源，低温沉积了c轴择优取向GaN薄膜。实验中使用微波，通过电子回旋共振(ECR)在低气压下产生氮等离子体来获得活性氮源，大大降低了沉积温度。另外，由于玻璃的软化点比较低(<600℃)，实验中的沉积温度需要控制在600℃以下。通过反射高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、室温霍尔(Hall)测量和光致发光(PL)谱，研究了沉积温度、氮气流量、Ⅴ/Ⅲ对GaN薄膜结构、表面形貌、电学特性和光学特性的影响，得出了普通玻璃衬底上沉积GaN薄膜的适宜工艺参数。

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英文文摘

声明

引言

1 绪论

1.1 GaN的物理性质

1.2 GaN的化学性质

1.3 GaN的电学性质

1.4 GaN的光学性质

1.5衬底材料的选择

1.6 GaN的应用

1.7本章小结

2 GaN薄膜外延生长方法和影响薄膜外延的因素

2.1 GaN薄膜的外延生长方法

2.2影响GaN薄膜结构和成核的因素

2.3本章小结

3实验过程和分析方法

3.1 实验设备

3.2样品的制备

3.3薄膜的表征

3.4本章小结

4结果与讨论

4.1 不同沉积温度下GaN薄膜的性能分析

4.2不同氮气流量下GaN薄膜的性能分析

4.3不同Ⅴ/Ⅲ下GaN薄膜的性能分析

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢