共溅法Mg掺杂氮化镓纳米结构的制备与研究

摘要

氮化镓(GaN)作为一种优良的III-V族宽禁带半导体材料，被广泛地用来制作各种蓝、绿光发光二极管和激光器，及各种抗辐射、高频、高温和高密度集成的电子器件。近年来发现一维GaN纳米材料具有许多新奇的物理特性，其纳米线、纳米带和纳米棒作为新颖的低维材料越来越多引起了人们的研究兴趣。同时随着GaN基器件的发展，为了更好地实现其光电子特性，适当的掺杂是非常有必要的。Be、Mg、Zn、C等多种p型化杂质都曾被研究过，而目前以Mg使用最广泛。于是在实现GaN一维纳米结构生长的基础上，进一步实现GaN纳米结构的P型掺杂是一个非常值得研究的热门课题。 本文介绍了采用共溅法制备Mg掺杂GaN纳米结构的方法。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和光致发光谱(PL)等测试手段详细分析了Mg掺杂GaN纳米材料的结构、组分、形貌和光致发光特性。研究了不同的氨化温度、不同的氨化时间和不同Mg层厚度对GaN纳米结构的影响，初步提出并探讨了此方法合成GaN纳米结构的生长机制。所取得的主要研究结果如下： 1.用共溅射和氨化制备Mg掺杂GaN纳米结构利用磁控溅射法在Si衬底上溅射Mg：Ga2O3层状结构薄膜，然后对溅射的Mg：Ga2O3层状薄膜在氨气气氛下退火制备GaN纳米结构。通过改变退火时间、退火温度及Mg层的厚度研究其对合成的GaN纳米结构的影响。研究结果表明：不同的退火温度、退火时间和Mg层的厚度对合成GaN纳米结构都有很大影响，合成的一维纳米结构为六方纤锌矿结构的单晶GaN。其中制备高质量Mg掺杂氮化镓纳米线的最佳条件是共溅射过程包含25个循环，Mg：Ga2O3薄膜总的溅射厚度为600nm左右，溅射总时间为100分钟。单个循环过程如下：先生长20nm左右的非故意掺杂Ga2O3，保持工作气压不变，同时停止溅射Ga2O3，如此保持一段时间(5s)再开始溅射Mg2s。最后，将溅射好的Mg：Ga2O3薄膜样品放入管式炉的恒温区进行氨化。氨化温度和氨化时间分别为900℃和15分钟。 2.GaN纳米结构的光学特性室温下，用波长为298nm光激发样品表面，出现309nm、384nm、420nm和442nm四处发光峰，改变实验条件发光峰位置基本没有随之发生移动，只是发光强度发生了变化。对于位于359nm处的发光峰对应本征GaN常温370nm的发光峰表现了明显的蓝移，归因于Burstein-Moss效应；其余三个发光峰都是由于Mg的掺杂引起的不同的杂质能级的跃迁； 3.对GaN纳米结构生长机制的探索高温下氨气逐步分解成NH2、NH、H2、N2等产物，固态Ga2O3与H2反应生成中间产物气态的Ga2O，在衬底处与体系中氨气发生催化反应得到GaN晶核，这些晶核在衬底合适的能量位置生长，成为下一个晶核生长的依托点，随着氨化过程的进行GaN晶核继续长成GaN微晶，当微晶的生长方向沿着相同的方向生长，就形成了单晶GaN纳米线、纳米线、纳米颗粒。同时氢化层状结构的Mg：Ga2O3薄膜，能使得在微晶生长过程中，会有更多的Mg离子进驻GaN晶体内部，实现了Mg的有效掺杂。但更深刻的原因仍在进一步的研究之中。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节GaN材料的基本性质及研究进展

第二节低维GaN材料的研究概况

第三节Mg的基本性质以及应用

第四节课题来源及选题依据

第二章实验设备和测试方法

第一节实验设备

第二节实验中所需要的主要材料和试剂

第三节测试表征手段

第三章共溅法制备一维Mg掺杂GaN纳米材料的研究

第一节一维Mg掺杂GaN纳米材料的制备

第二节氨化时间对合成一维GaN纳米结构的影响

第三节氨化温度对合成一维GaN纳米结构的影响

第四节Mg掺杂浓度对合成一维GaN纳米结构的影响

第五节一维GaN纳米材料的生长机制初探

第六节本章小结

第四章结论

第一节本论文的主要研究内容及成果

第二节对今后工作的建议

参考文献

论文作者在学期间发表的学术论文目录

致谢