氧化镓薄膜掺杂的理论及实验研究

摘要

Ga2O3是一种很重要的宽禁带半导体材料，它有很好的热稳定性，且击穿电压高，电子漂移速度大。因此，Ga2O3成功地被应用于MESFET，MOSFET，SBD等功率器件中。另外，在紫外光电器件，半导体激光器和太阳能电池等方面，Ga2O3也是一种很有应用前景的材料。为了实现高灵敏度且波长可调的光电探测器，且发挥Ga2O3的宽禁带特性，研究者们通过掺铝成功提高了Ga2O3薄膜的禁带宽度。本征缺陷在材料的特性上起了重要作用，然而并未有人结合本征缺陷系统地从理论上研究过Al掺杂Ga2O3。另外，由于Ga2O3中本征缺陷特别是氧空位的存在，本征Ga2O3通常呈现n型，而高载流子浓度的高质量的p型Ga2O3的发展十分困难。基于以上两个方面，本文对于铝掺杂Ga2O3缺陷复合体系进行了理论研究，对于镁与氮p型掺杂氧化镓进行了理论及实验研究。主要工作及结论如下： 1.在铝掺杂氧化镓方面，本文基于密度泛函理论研究了在铝掺杂Ga2O3体系中，本征缺陷对于其电学及光学特性的影响。考虑了四种缺陷复合体系：AlGa2O3VO(Al掺杂Ga2O3结合氧空位缺陷),AlGa2O3VGa(Al掺杂Ga2O3结合镓空位缺陷),AlGa2O3Gai(Al掺杂Ga2O3结合镓间隙缺陷)以及AlGa2O3Oi(Al掺杂Ga2O3结合氧间隙缺陷)。计算结果表明Al掺杂本征Ga2O3会导致氧间隙缺陷的形成。并且，Al掺杂体系AlGa2O3禁带宽度为4.975eV，略大于本征氧化镓。当氧空位存在时，禁带中出现了深施主能级，而氧间隙并未能引起缺陷能级的存在。铝掺杂后，本征吸收带边发生轻微蓝移，当氧空位缺陷引入后，在3.69eV处出现了新的吸收峰。 2.对于Mg掺杂氧化镓进行仿真，发现引入Mg后，Ga2O3禁带中距价带顶2.13eV处出现能级，我们预测这是Mg对于Ga2O3引入的受主能级。为了从实际上进一步探索，我们进行了相应Mg离子注入实验，探索了Mg注入Ga2O3后，薄膜的结构特性，表面形貌，电学和光学特性。离子注入后，薄膜晶粒尺寸变小，拉曼峰的变化主要发生在高频区域，可能因为Mg离子注入主要影响GaO4四面体。随着Mg注入剂量的增大，(-402)面的XRD衍射峰位左移。当注入剂量最大的时候，2θ位于45.8°处出现了MgO2的衍射峰。Ga2O3结构多晶化，结晶质量下降。退火后，各样片薄膜晶粒尺寸变大，拉曼谱趋于与原片一致，Mg1Ga2O3和Mg3Ga2O3样片(-402)面对应的XRD衍射峰增强。说明经过高温退火处理，原子获得能量迁移到正常格点位置，薄膜晶体结晶质量提高。通过对样片的I-V，C-V测试，提取出各样片的载流子浓度，发现随着Mg注入剂量增大，Ga2O3中载流子浓度逐渐降低，证明Mg注入具有补偿效应，样片倾向于半绝缘，并未能形成p型Ga2O3薄膜。而退火之后对应的样片载流子浓度降低，可能是高温退火激发了注入的Mg离子，使得补偿效应增强所致。Mg离子注入实验虽然并未能得到p型的Ga2O3，但本文对于其掺杂后薄膜特性的探索有利于今后Mg掺杂Ga2O3绝缘薄膜的应用。 3.结合N掺杂氧化镓的仿真结果（N掺杂Ga2O3在距价带顶1.33eV的禁带中引入了受主能级，可以预测N是受主杂质），进一步进行相应N离子注入实验，探索N注入Ga2O3后，薄膜的结构特性，表面形貌，电学和光学特性。离子注入后，631.9cm-1处拉曼峰下降，658.9cm-1附近拉曼峰增强，并且产生767cm-1的拉曼峰。随着注入剂量的增加，O1s，Ga3d，Ga2p处的XPS信号峰向高结合能侧移动，这可能因为形成GaN的缘故。注入剂量最大时，2θ位于35.2°和45.86°处出现了新的XRD衍射峰，其中35.2°处峰对应GaN的(101)面，45.86°处新的衍射峰对应Ga2O3(600)面，说明离子注入使得表面损伤，结构出现多晶，结晶质量下降。退火后，631.9°附近拉曼峰有恢复的趋势，然而没有形成与原片类似的拉曼谱；样片的均方根粗糙度降低，薄膜晶粒尺寸变大；两处新的XRD衍射峰消失。这说明经过高温退火处理，薄膜结晶质量提高。通过对样片的I-V，C-V测试，提取出各样片的载流子浓度，发现随着N注入剂量增大，其载流子浓度逐渐降低，证明N注入具有补偿效应，样片倾向于半绝缘，并未能形成p型Ga2O3薄膜。N离子注入实验虽然并未能得到p型的Ga2O3，但本文对于其掺杂后薄膜特性的探索有利于今后N掺杂Ga2O3绝缘薄膜的应用。

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