非晶GaN薄膜低温沉积及其锡掺杂研究

摘要

近年来,GaN以其优异的光电性质而被广泛应用于短波长光电器件、全色发光显示器、光探测器、高电子迁移率晶体管和大功率电子器件.但是由于缺乏高质量大尺寸的体单晶作为衬底,通过MOCVD在蓝宝石或SiC衬底上异质外延制备的GaN薄膜尺寸较小,一般直径不超过2英寸,而且价格昂贵.非晶GaN由于结构的无序性,不需要晶格匹配的衬底,因而在大面积显示器件中具有非常大的应用前景. 作为一种高效的大面积薄膜制备方法,磁控溅射早在10年前就已经被应用于GaN薄膜的制备.但常规的n型掺杂剂Si,由于其非常高的熔点和在Ga中较小的固溶度,使得GaSi合金靶材的制备非常困难,到目前为止还没有采用磁控溅射法对GaN材料进行掺杂的报道. 本文在系统总结了国内外GaN材料的制备、掺杂和器件工艺的研究历史和现状的基础上,从改善工艺的角度出发,提出采用低熔点金属Sn作为新型掺杂剂制备SnGa合金靶对GaN进行n型掺杂. 我们首先通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,根据形成能和费米能级关系定量计算出Sn<'0→+1><,Ga>的电离能为～31meV,结合态密度(DOS)图,部分态密度(PDOS)图和差分电荷密度图的定性分析,从理论上预测了Sn在GaN中的浅施主特性及其掺杂制备n型导电GaN的可行性;然后采用直流反应磁控溅射液态金属Ga靶和液态GaSn合金靶的方法制备未掺杂和Sn掺杂GaN薄膜.实验中发现400℃以上,N<,2>流量为40sccm时,未掺杂GaN薄膜的光学禁带宽度为3.30eV;Sn掺杂以后GaN薄膜的光学禁带宽度有所下降;霍尔效应测试结果表明,Sn掺杂GaN薄膜呈n型导电,载流子浓度只有10<'15>数量级,电子迁移率为10cm<'2>V<'-1>s<'-1>.虽然载流子浓度较低,但其迁移率却比普通非晶硅高出1个数量级,因此掺Sn的非晶GaN有望可以在某些领域得到实际应用.

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1研究背景

1.2 GaN的基本性质

1.2.1 GaN的化学性质

1.2.2 GaN的物理性质

1.3 GaN材料的制备

1.3.1体单晶生产

1.3.2 GaN外延生长技术

1.3.3GaN材料反应溅射生长

1.4 GaN材料中的本征点缺陷与杂质

1.4.1本征点缺陷

1.4.2杂质

1.5 GaN材料的器件应用

1.5.1微电子应用

1.5.2光电子应用

1.6立题思路和研究内容

第二章理论计算原理与设置简介

2.1第一性原理计算

2.2密度泛函理论

2.2.1 Hohenber-Kohn定理

2.2.2交换关联泛函

2.2.3平面波赝势

2.3计算参数及相关概念

2.3.1超晶胞

2.3.2布里渊区K空间取样点

2.3.3平面波截至能量

2.3.4形成能与电离能

2.3.5差分电荷密度图

第三章实验方法简介

3.1实验方法及原理

3.1.1直流反应磁控溅射系统

3.1.2溅射镀膜的基本原理

3.1.3直流反应磁控溅射工作原理

3.1.4直流反应磁控溅射的特点

3.2薄膜的制备工艺

3.2.1靶材的制备

3.2.2衬底的选择和清洗

3.2.3薄膜的制备

3.3薄膜性能的表征

3.3.1晶体学性能

3.3.2光学性能

3.3.3薄膜的表面形貌和成分分析

3.3.4电学性能

3.3.5傅立叶变换红外光谱测试

第四章Sn掺杂GaN的电子结构和电学性能的第一性原理计算

4.1理论计算可靠性验证

4.2 Sn掺杂GaN的电子结构研究

4.3 SnGa的形成能与电离能

4.4本章小结

第五章未掺杂GaN薄膜的基本性能与表征

5.1实验过程

5.1.1薄膜的制备

5.1.2薄膜的测试

5.2实验结果与讨论

5.2.1衬底温度对GaN薄膜性能的影响

5.2.2 N2流量对GaN薄膜性能的影响

5.3本章小结

第六章Sn掺杂GaN薄膜的基本性能与表征

6.1实验过程

6.1.1薄膜的制备

6.1.2薄膜的测试

6.2 Sn掺杂GaN薄膜晶体结构的XRD测试结果

6.2.1衬底温度对Sn掺杂GaN薄膜晶体结构的影响

6.2.2 Sn掺杂浓度对GaN薄膜晶体结构的影响

6.3 Sn掺杂GaN薄膜的紫外-可见透射谱测试

6.3.1衬底温度对Sn掺杂GaN薄膜光学性能的影响

6.3.2 Sn掺杂浓度对GaN薄膜光学性能的影响

6.4 Sn掺杂GaN薄膜的Hall效应测试

6.5本章小结

第七章结论

参考文献

攻读硕士期间发表和送审的论文

致谢