雾化辅助低压法(UALPCVD)制备氧化镓薄膜

摘要

氧化镓（Ga2O3）是一种带隙宽度为4.9~5.3eV的直接带隙半导体材料，带隙宽度远大于SiC（3.3eV）、GaN（3.4eV）等半导体材料，而受到了广泛的关注，成为近年半导体材料研究中的一颗新星。目前氧化镓的应用主要包括气敏传感器、紫外探测器、发光器件。生长获得高质量氧化镓薄膜是器件应用的首要条件，目前制备氧化镓薄膜材料的方法主要有金属有机物化学气相沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射、分子束外延法和喷雾热解等技术。但是这些方法大都存在成本高和薄膜沉积不均匀等问题。本论文自主研发了雾化辅助低压化学气相沉积(UALPCVD)装置，它具有薄膜制备成本低廉、能在常压或低压下直接沉积薄膜等优点，并利用该装置成功制备了氧化镓薄膜。　　本论文研究的主要内容包括以下几点：　　自主搭建了雾化辅助低压CVD薄膜沉积设备。雾化辅助低压CVD法具有薄膜制备成本低廉、操作简单和薄膜均匀性好等优点。分析讨论了热对流对薄膜沉积的影响，优化了一种狭缝沉积室，能将薄膜沉积反应过程限制在一定范围内，理论上能很好的提升薄膜平整性。得到了狭缝沉积室内的温度场分布和气流场分布。　　用ANSYS仿真了基于雾化辅助低压CVD装置制备氧化镓薄膜的实验过程，以及狭缝沉积室内的温度场和流场分布。以乙酰丙酮镓（C15H24O6Ga）和空气为反应物得到了固态沉积物分布仿真，发现了沉积分布区域干涉条纹能很好与实验中得到的结果吻合，验证了理论的正确性。我们也发现了反应速率与雾气流入口距离大致成反比的关系，且反应区域的中间一段反应速率变化比较平稳，若想得到厚度比较均匀的薄膜，可把衬底放在反应区域的中间段；若想得到比较厚的薄膜，可将衬底放在距离入口5mm处。通过上述仿真实验，我们能够进一步改进设备的加工设计，很好地指导氧化镓薄膜的制备。　　我们使用雾化辅助低压CVD法在Si（111）和α-Al2O3（0001）衬底上基本成功沉积了多晶氧化镓薄膜，探究了氧化镓薄膜的生长工艺。使用XRD和AFM对氧化镓薄膜进行表征分析，我们发现Ga2O3/α-Al2O3(—201)具有择优取向性。还发现随着衬底温度的升高，氧化镓薄膜的厚度先增加后减小。随着沉积时间的增加，氧化镓薄膜的厚度先增加后不变或略微减小。随着载气速度的变化，氧化镓的薄膜平整性由差变好再变差。　　综上所述，本论文自行设计的一款雾化辅助低压CVD薄膜沉积设备，具有薄膜制备成本低廉、操作简便的特点，最终成功的在α-Al2O3(0001)和Si(111)衬底上制备出了多晶氧化镓薄膜。

目录

声明

1 绪论

1.1 概述

1.2 氧化镓的晶体结构

1.3 氧化镓的光学、电学特性和应用

1.4 氧化镓薄膜制备技术研究进展

1.4.1 氧化镓薄膜制备技术国内研究现状

1.4.2 氧化镓薄膜制备技术国外研究现状

1.5 选题意义及本论文主要研究内容

2 氧化镓薄膜的制备与表征方法介绍

2.1 溶胶-凝胶法

2.2 金属有机物化学气相沉积法

2.3 脉冲激光沉积

2.4 喷雾热解法

2.5 磁控溅射法

2.6 分子束外延

2.7 本论文涉及的表征手段

2.7.1 X射线衍射

2.7.2 原子力显微镜

3 雾化辅助低压CVD法的基本原理、理论及仿真设计

3.1 雾化辅助低压CVD法的基本原理与理论

3.1.1 前驱体分解过程

3.1.2 雾化辅助低压CVD的技术优点

3.1.3 狭缝沉积室中近衬底粒子的行为

3.1.4 狭缝沉积室中液滴蒸发的微观过程

3.2 基于雾化辅助低压CVD设备的仿真优化设计

3.2.1 热对流的影响

3.2.2 狭缝沉积室

3.2.3 狭缝沉积室中的温度与气流速度分布

3.3 本章小结

4 雾化辅助低压CVD沉积Ga2O3薄膜的ANSYS仿真

4.1 ANSYS仿真介绍

4.1.1 计算流体力学介绍

4.1.2 计算流体力学中涉及的基本方程组

4.1.3 守恒方程的普适形式

4.1.4 控制守恒方程

4.1.5 边界条件

4.2 计算流体力学的基本计算过程

4.2.1 总体的求解过程

4.2.2 建立控制方程及确定边界条件和初始条件

4.2.3 建立几何模型及网格划分概述

4.3 实验过程的仿真

4.4 表面化学反应及仿真结果

4.5 本章小结

5 氧化镓薄膜制备与表征

5.1 雾化辅助低压CVD制备氧化镓薄膜的工艺流程

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果