β-Ga2O3薄膜制備與表征.pdf

1、β型氧化鎵是直接寬禁帶透明氧化物材料，在可見(jiàn)光區(qū)到紫外光區(qū)有很高的透光率，其禁帶寬度在4.9eV左右，具有良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性。氧化鎵已經(jīng)在氣敏探測(cè)器、紫外光探測(cè)器、電致發(fā)光等器件上得到了應(yīng)用。由于氧化鎵在禁帶寬度上的優(yōu)勢(shì)，它在功率器件方面也有很大的發(fā)展前景，并且國(guó)際上也出現(xiàn)了相關(guān)功率器件的研究。對(duì)氧化鎵薄膜生長(zhǎng)與性質(zhì)以及摻雜薄膜性質(zhì)的研究是制備氧化鎵器件的前提，但國(guó)內(nèi)對(duì)氧化鎵薄膜生長(zhǎng)和性質(zhì)的研究并不多。使用PLD技術(shù)可在低溫、低真空度

2、下進(jìn)行單晶薄膜的生長(zhǎng)，其靈活性強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快，能夠滿(mǎn)足氧化鎵薄膜研究的前期研究需求。本文通過(guò)PLD在C面藍(lán)寶石和氧化鎵單晶襯底上制備β-Ga2O3薄膜，并討論了PLD制備Ga2O3薄膜的結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)機(jī)理和光學(xué)等性質(zhì)?；谏厦娴挠懻?，完成了以下工作。
　　第一，使用PLD技術(shù)在α-Al2O3襯底上外延生長(zhǎng)Ga2O3薄膜，首先研究在α-Al2O3襯底上外延Ga2O3薄膜的工藝參數(shù)，包括氧氣分壓和溫度對(duì)Ga2O3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和

3、粗糙度的影響，得到薄膜的生長(zhǎng)規(guī)律。隨著氧氣分壓的升高，薄膜的平均晶粒尺寸減小，表面粗糙度減小，薄膜的生長(zhǎng)速率逐漸增大，薄膜內(nèi)的O/Ga比值增大并。襯底溫度在500℃～750℃范圍內(nèi)均能制備出單晶β-Ga2O3薄膜，并且薄膜的生長(zhǎng)速率隨溫度升高而降低。
　　第二，根據(jù)前面得到的生長(zhǎng)規(guī)律，選擇PLD制備氧化鎵薄膜的工藝參數(shù)為：襯底溫度600℃，氧分壓0.01mbar，靶材與襯底的距離5cm，激光脈沖頻3Hz，激光的能量密度2J/cm2

4、。并對(duì)該條件下生長(zhǎng)的氧化鎵薄膜的外延關(guān)系、界面性質(zhì)、元素組成與化學(xué)態(tài)以及生長(zhǎng)模式進(jìn)行研究。α-Al2O3上生長(zhǎng)Ga2O3薄膜的外延生長(zhǎng)關(guān)系為：α-Al2O3(0001)||β-Ga2O3(2-01)、β-Ga2O3(010)||α-Al2O3(11-00)和β-Ga2O3(102)||α-Al2O3(112-0)，由于藍(lán)寶石旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，氧化鎵外延薄膜內(nèi)形成了三重疇結(jié)構(gòu)。在低氧分壓（0.0013mbar）的環(huán)境下制備的氧化鎵薄膜內(nèi)的Ga元

5、素同時(shí)存在Ga3+、Ga+和Ga三種化學(xué)態(tài)。由于β-Ga2O3和α-Al2O3存在較大的晶格失配，導(dǎo)致β-Ga2O3和α-Al2O3的界面存在大量的失配位錯(cuò)，其穿透位錯(cuò)沿縱向和橫向分布。薄膜的生長(zhǎng)模式為三維的島生長(zhǎng)。
　　第三，對(duì)襯底溫度600℃，氧分壓0.01mbar條件下生長(zhǎng)的β-Ga2O3薄膜的光致發(fā)光性質(zhì)與發(fā)光機(jī)制進(jìn)行了研究，分別進(jìn)行了變溫PL譜和變功率PL譜測(cè)試。使用高斯擬合分別在可見(jiàn)光區(qū)的437.4nm、517.1nm

6、和582.7nm處得到了3個(gè)峰。通過(guò)變功率譜的峰移和強(qiáng)度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)光區(qū)的3個(gè)峰的發(fā)光機(jī)制是施主受主對(duì)的復(fù)合躍遷，氧空位引起了藍(lán)光發(fā)光峰，鎵空位引起了綠光發(fā)光峰。對(duì)樣品透射測(cè)試結(jié)果表明：在可見(jiàn)光范圍β-Ga2O3的透射率在85％左右，在近紫外光范圍有80％左右的透射率。通過(guò)(ahv)2與hv曲線(xiàn)得到薄膜的禁帶寬度為5.0eV。
　　第四，用PLD在襯底溫度為600℃、氧分壓0.01mbar條件下進(jìn)行β-Ga2O3薄膜同質(zhì)外延