氧化鎵生長取向和形貌的控制研究.pdf

1、氧化鎵是一種新型直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度高達(dá)4.9 eV、擊穿電場(chǎng)可達(dá)3.5×106V/cm、電離能為5.9 eV，具有優(yōu)良的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。非故意摻雜條件下制備的氧化鎵往往表現(xiàn)出高阻或弱n型導(dǎo)電特性，但適當(dāng)摻入硅或者錫元素之后，其可以呈現(xiàn)良好的n型導(dǎo)電特性。基于上述優(yōu)點(diǎn)，氧化鎵材料在深紫外透明導(dǎo)電、日盲探測(cè)、氣體傳感和電子器件制造等方面具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。為此，近年來人們?cè)絹碓疥P(guān)注氧化鎵表面形貌的控制研究，該方向已成為當(dāng)前氧

2、化物半導(dǎo)體材料領(lǐng)域里的研究前沿。
　　氧化鎵薄膜的制備方法有很多種，包括反應(yīng)熱蒸發(fā)、噴霧熱分解、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、電子束蒸發(fā)和金屬有機(jī)化物氣相沉積(MOCVD)等。本論文利用MOCVD方法，以三乙基鎵和高純氧氣為鎵源和氧源來外延生長氧化鎵薄膜。通過改變襯底表面狀態(tài)和調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)氣體壓強(qiáng)兩種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鎵薄膜表面形貌的控制。主要工作如下:
　　在論文的第一部分，我們選用GaN/Al2O3作為外延生長氧化

3、鎵材料的基板，并在不同溫度下對(duì)GaN基板進(jìn)行熱氧化處理，詳細(xì)研究了GaN表面的氧化狀態(tài)對(duì)外延生長的氧化鎵薄膜的結(jié)晶特性的影響。X射線衍射測(cè)試結(jié)果表明， GaN基板熱氧化狀態(tài)受氧化溫度影響顯著:在550℃～650℃的相對(duì)低溫條件下，熱氧化后的GaN基板表面出現(xiàn)了具有(601)面取向性的氧化鎵薄層;當(dāng)熱氧化溫度在750℃時(shí)，在GaN基板并未形成具有取向性的氧化鎵薄層;而當(dāng)熱氧化溫度升高至850℃時(shí)，GaN基板上出現(xiàn)明顯的具有((2)01)單

4、一取向性的氧化鎵薄層;但是繼續(xù)升高熱氧化溫度至950℃后，GaN層發(fā)生較為劇烈的分解與氧化，使得形成的氧化鎵薄層表現(xiàn)出多種取向性。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，在上述熱氧化基板上繼續(xù)外延生長的氧化鎵薄膜的取向性，與基板表面氧化鎵薄層相一致。這表明可以通過控制GaN基板表面的熱氧化狀態(tài)來控制氧化鎵薄膜的取向性。
　　在論文的第二部分，我們研究了MOCVD設(shè)備反應(yīng)室內(nèi)氣體壓強(qiáng)對(duì)氧化鎵薄膜表面形貌的影響。利用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡等測(cè)試設(shè)備對(duì)在不

5、同氣壓下制備出的氧化鎵薄膜進(jìn)行了表征和分析。當(dāng)生長氣壓為400Pa時(shí)，氧化鎵薄膜表現(xiàn)出島狀生長模式，其表面粗糙，透光率較差;而生長氣壓升高到2000Pa時(shí)，得到的氧化鎵為致密的薄膜表面鑲嵌著大尺寸的顆粒結(jié)構(gòu)，較影響其在可見光范圍內(nèi)的透射;繼續(xù)提高生長氣壓達(dá)到7000Pa時(shí)，制備出的氧化鎵薄膜表現(xiàn)為致密的厚膜結(jié)構(gòu)，然而當(dāng)生長氣壓過大時(shí)(20000Pa)，反應(yīng)物的預(yù)反應(yīng)變得十分劇烈，引起物理堆積效應(yīng)明顯，導(dǎo)致氧化鎵薄膜的質(zhì)量相比于前幾種情況