蓝宝石衬底上Ga2O3薄膜的制备及性质研究

摘要

随着科技的发展，透明导电氧化物薄膜由于在发光二极管、激光器、平面显示和薄膜太阳能电池等领域的广泛应用而受到越来越多的关注。近些年来，人们对于宽禁带半导体产生了极为浓厚的兴趣，因为带隙较宽的半导体材料能够发出更短波长的光，且在紫外光区域能够保持比较高的透明度，可以用来制造蓝光及紫外激光器和发光二极管等发光器件以及光探测器件等。如今已发现并制备出的蓝光材料包括GaN，ZnSe等，并利用这些材料制造出了高效率的蓝光激光器和发光二极管。
　　 Ga2O3是一种具有直接带隙的宽禁带氧化物半导体材料，其禁带宽度约为4.9eV，比GaN(Eg～3.4eV)的禁带宽度还要大，并且因为Ga2O3材料具有制备方法简单、便于批量生产以及稳定的物理化学特性等优点而成为一种非常有前途的紫外和蓝光材料。在多种Ga2O3材料的同分异构体中，β-Ga2O3最为稳定，也是Ga2O3材料目前应用和研究比较多的晶型。β-Ga2O3材料虽然在很多领域有着广泛的应用前景，但由于传统方法制备的薄膜材料的结构和性能比较差，限制了其在实际中的应用。要使β-Ga2O3薄膜材料在光电器件等领域得到实际应用，对β-Ga2O3材料的单晶外延生长开展深入系统的研究就显得尤为重要。
　　 本论文的主要研究工作及结果如下:
　　 1.采用MOCVD方法，以高纯Ga(CH3)3作为镓金属有机源，高纯O2作为氧源，超高纯N2作为载气，在a面蓝宝石α-Al2O3(11(2-)0)、c面蓝宝石α-Al2O3(0001)、m面蓝宝石α-Al2O3(10(1-)0)和r面蓝宝石α-Al2O3(01(1-)2)四种衬底上制备了Ga2O3系列薄膜，其生长温度变化范围为550～700℃。XRD测试结果表明，当其他实验条件均相同时，在650℃的衬底温度下，α-Al2O3(0001)-衬底上生长出结晶质量最好的β-Ga2O3薄膜;700℃时，在α-Al2O3(10(1-)0)衬底上制备出结晶质量最好的α-Ga2O3薄膜。
　　 2.将650℃温度下四种衬底上制备的样品在900℃下退火1h，在a面和m面上，退火使晶粒变大，c面和r面上，退火之后结晶质量变差。通过在空气中退火处理未能提高c面蓝宝石上生长的β-Ga2O3薄膜的结晶质量。
　　 3.在反应压强为20Torr，衬底温度650℃的条件下c面蓝宝石上制备的β-Ga2O3薄膜的结晶质量最好，所得薄膜厚度约为120nm。利用多功能X射线衍射仪和高分辨透射电镜分析薄膜的结构，可知制备的薄膜与衬底之间存在的面外外延关系为β-Ga2O3((2-)01)‖Al2O3(0001)，同时面内外延关系为β-Ga2O3[010]‖Al2O3<1(1-)00>和β-Ga2O3[102]‖Al2O3<11(2-)0>。
　　 4.利用SEM观察c面蓝宝石上制备薄膜样品的表面形貌，表面形貌随生长温度变化而变化，在最佳生长温度下沉积的薄膜有较大的晶粒尺寸且晶粒边界清晰、整齐。表面形貌的变化与XRD测试结果相吻合。扣除衬底的影响，Ga2O3薄膜的平均透过率超过92％;对应的光学带隙范围为4.73～4.96eV，其变化趋势与薄膜结晶质量的变化相吻合。

目录

声明

摘要

符号表

第一章 绪论

§1．1 概述

§1．2 Ga2O3材料的性质

1．2．1 结构性质

1．2．2 电学和光学性质

§1．3 Ga2O3材料的应用

§1．4 Ga2O3材料的研究现状

§1．5 课题的选取和研究的内容

参考文献

第二章 薄膜制备方法的介绍

§2．1 薄膜制备技术

2．1．1 溶胶-凝胶法(Sol-gel)

2．1．2 真空蒸发镀膜法

2．1．3 溅射镀膜法

2．1．4 分子束外延技术

2．1．5 化学气相沉积法

§2．2 金属有机物化学气相沉积

2．2．1 MOCVD的技术特点

2．2．2 MOCVD的化学反应动力学和质量输运

2．2．3 MOCVD的热力学分析

2．2．4 MOCVD的表面过程

2．2．5 MOCVD生长系统

参考文献

第三章 薄膜的制备及测试分析方法

§3．1 本论文使用的MOCVD系统介绍

§3．2 实验前的准备

3．2．1 衬底的清洗

3．2．2 原料的选取和实验参数的确定

3．2．3 工艺流程的程序编辑

§3．3 本论文薄膜制备的工艺流程

§3．4 薄膜性能的测试分析方法

3．4．1 结构分析

3．4．2 成分分析

3．4．3 光学性质的测量

参考文献

第四章 蓝宝石衬底生长Ga2O3薄膜的研究

§4．1 四种衬底上Ga2O3薄膜样品的制备与基本结构

4．1．1 四种衬底上Ga2O3薄膜样品的制备

4．1．2 四种衬底上Ga2O3薄膜样品的基本结构

§4．2 退火对氧化镓结构性质的影响

参考文献

第五章 c面蓝宝石衬底外延β-Ga2O3薄膜的研究

§5．1 衬底温度对Ga2O3薄膜结构的影响

5．1．1 Ga2O3薄膜的组分分析

5．1．2 Ga2O3薄膜的结构随衬底温度的变化

5．1．3 Ga2O3薄膜的表面形貌随衬底温度的变化

§5．2 a-Al2O3(0001)衬底上Ga2O3薄膜外延生长机理分析

§5．3 衬底温度对Ga2O3薄膜光学性质的影响

参考文献

第六章 结论

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致谢

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