脉冲激光沉积GaN薄膜及ZnO缓冲层的影响

摘要

近年来,纤锌矿结构的氮化稼(GaN)材料,由于可以制备高亮度蓝色与绿色发光二级管和紫外光电二级管、激光二极管、紫外光电探测器和耐高温、高强度和高能量的器件,引起了人们的广泛兴趣.由于生长大尺寸的单晶氮化镓是比较困难的,人们在不同的衬底上用异质外延的方法来制备高质量的氮化镓薄膜.在硅衬底上生长氮化镓薄膜有许多的优势,被认为是一种较好的衬底.但硅与GaN的失配率较高,难以获得高质量的GaN薄膜.人们想到用缓冲层来降低薄膜和衬底之间的晶格失配和热失配.常用的缓冲层有AlN,SiC和ZnO等.我们实验中在Si衬底上应用ZnO来做缓冲层,制备了比较好的GaN薄膜. 制备GaN薄膜的方法很多,包括磁控溅射(sputtering)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延技术(MBE)和脉冲激光沉积(PLD)等.脉冲激光沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术,它是在高真空背景下用高能激光烧蚀靶材生成等离子体淀积在加热衬底上生长晶体薄膜的.脉冲激光沉积法与其它沉积方法相比有薄膜生长温度低等优点本研究采用脉冲激光沉积法在硅衬底上用.ZnO缓冲层来制备GaN薄膜,并在氨氛围下950度退火15分钟后制备了高质量的GaN薄膜.我们研究了制备硅基GaN薄膜的优缺点,分析了退火对硅基ZnO薄膜的影响,并主要讨论了氧化锌缓冲层在退火过程中的影响,对实验结果进行了分析和解释.主要内容如下:1.分析了薄膜生长原理和脉冲激光沉积技术的原理、特点,用脉冲激光沉积的方法制备ZnO薄膜和GaN薄膜.2.我们用脉冲激光沉积的方法在硅衬底上制备了六方纤锌矿结构的氧化锌薄膜,并分析了退火对氧化锌薄膜的影响.由于GaN本身硬度较大,熔点较高的特点,PLD方法制备的GaN薄膜又在高温扩散炉中退火15分钟.PLD过程中,我们采用1064 nm,Quanta-Ray DCR-3型Nd:YAG激光器直接打在与所要制备的薄膜材料具有相同成分的靶上.退火过程主要在高温扩散炉氨气氛围中进行.实验用到的主要测试手段为X射线衍射(XRD)、傅立叶红外吸收(FTIR)、原子力显微镜表面分析(AFM)和拉曼谱分析(Ratman). 3.研究了制备GaN/ZnO/Si过程中,氧化锌缓冲层对GaN薄膜的结晶质量、成分和表面形貌的影响,实验发现,结晶的氧化锌缓冲层对GaN薄膜的初始成核和退火过程中的生长都有很大的影响. 4.在其它参量不变的情况下,通过改变退火温度或时间来研究它对GaN薄膜的影响.结果显示,退火温度和退火时间都对薄膜的结构特点有很大的影响.当氮化稼薄膜在氨分为下退火的过程中,Zn-O键断裂,Zn原子或O原子离开的六方纤锌矿结晶结构位置,Ga原子或N原子填充到空缺的位置形成一种特殊成分的六方结构,这种结构有利于形成GaN薄膜,最后,随着时间的增加,形成质量很高的GaN薄膜.在我们的实验条件下最佳退火温度为950度,退火时间不能少于15分钟.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2 GaN薄膜的研究进展

1.3 GaN薄膜的制备方法

1.4 GaN薄膜缓冲层的作用及研究

1.5本论文的内容及安排

第二章理论模拟及实验方法

2.1引言

2.2薄膜生长动力学

2.3脉冲激光沉积的原理与特性

2.3.1脉冲激光沉积技术的原理

2.3.2脉冲激光沉积技术的特性

2.3.3脉冲激光沉积方法

2.4高温退火过程

2.5薄膜材料的表征方法

第三章硅基氮化镓薄膜和氧化锌薄膜的制备和性质研究

3.1硅基氮化镓薄膜的制备和性质研究

3.2硅基氧化锌薄膜的制备和性质研究

3.2.1未退火氧化锌薄膜的结构和性质分析

3.2.2退火后氧化锌薄膜的结构和性质分析

第四章ZnO缓冲层和退火过程对GaN/ZnO/Si膜制备的影响

4.1缓冲层衬底对GaN薄膜的结晶质量影响

4.2退火温度对GaN/ZnO/Si薄膜的结晶质量影响

4.2.1 X射线衍射谱图分析

4.2.2傅立叶红外吸收谱分析

4.2.3原子力显微镜表面分析

4.2.4拉曼谱分析

4.2.5小结

4.3退火时间对GaN/ZnO/Si薄膜的结晶质量影响

第五章结论

5.1本论文的主要研究成果

5.2对今后研究工作的建议

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢