基于極性面和非極性面GaN-AlN模板上ZnO薄膜材料生長(zhǎng)研究.pdf

1、隨著世界信息化技術(shù)的迅速發(fā)展,新型半導(dǎo)體材料取得了重大的進(jìn)展,也促進(jìn)了各種光電技術(shù)的飛速發(fā)展。由于光電子器件潛在的巨大市場(chǎng),使得寬禁帶半導(dǎo)體材料成為研究的重點(diǎn)。氧化鋅(ZnO)薄膜作為一種寬禁帶、光學(xué)透明的薄膜,可以制作太陽(yáng)能電池的透明電極;另外,ZnO薄膜激子束縛能高,在室溫下可以實(shí)現(xiàn)光的受激發(fā)射,可以方便制作紫外激光器,因此,ZnO薄膜材料在制作光電器件方面有著巨大的應(yīng)用前景。另外,ZnO原料易得、價(jià)廉、毒性小,是最有開(kāi)發(fā)潛力的光電

2、薄膜材料之一。
　　ZnO薄膜一般是采用異質(zhì)外延的方式獲得,晶體質(zhì)量有待提高。由于III-V族AlN、GaN和II-VI族ZnO都是六角密排結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)相近,因此,AlN和GaN都可以作為ZnO材料生長(zhǎng)的緩沖層,通過(guò)降低與襯底材料的晶格失配來(lái)提高ZnO材料的晶體質(zhì)量。因此,如何生長(zhǎng)出高質(zhì)量的AlN、GaN緩沖層,以及如何利用緩沖層提高ZnO薄膜質(zhì)量一直是國(guó)際研究的熱點(diǎn)。
　　ZnO基材料與器件的研究工作大多是在極性面(c面

3、)材料上開(kāi)展的。ZnO材料在常溫下具有穩(wěn)定的纖鋅礦結(jié)構(gòu),不具有中心反演對(duì)稱性,導(dǎo)致ZnO及其異質(zhì)結(jié)在c方向具有很強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)。為了消除極化效應(yīng)對(duì)器件發(fā)光波長(zhǎng)及發(fā)光效率的影響,最根本方法是以非極性面AlN、GaN作為緩沖層來(lái)生長(zhǎng)非極性面ZnO薄膜及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)。目前生長(zhǎng)高質(zhì)量的非極性面GaN、ZnO材料正成為國(guó)際上寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,美國(guó)、日本、歐洲等多個(gè)研究小組一直從事于這一領(lǐng)域的研究。
　　本論文使用藍(lán)寶

4、石襯底,將AlN及GaN作為中間過(guò)渡層,采用脈沖激光沉積法(PLD)及磁控濺射等方法分別在其極性面c面和非極性面a面上生長(zhǎng)出了高質(zhì)量ZnO薄膜,對(duì)生長(zhǎng)工藝及生長(zhǎng)條件進(jìn)行了深入研究,并對(duì)材料表面形貌及晶體質(zhì)量進(jìn)行分析。具體分為以下三部分:
　　(1)采用緩沖層插入技術(shù),優(yōu)化成核層的生長(zhǎng)參數(shù),在藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的極性面c面AlN和非極性面a面GaN薄膜。
　　(2)采用磁控濺射方法,在高質(zhì)量非極性面a

5、面GaN模板上生長(zhǎng)非極性面ZnO薄膜。通過(guò)改變主要生長(zhǎng)參數(shù),利用各類測(cè)試手段對(duì)生長(zhǎng)的非極性面ZnO進(jìn)行表征,對(duì)比研究在非極性面a面GaN上生長(zhǎng)高質(zhì)量非極性面ZnO的最佳條件。
　　(3)采用脈沖激光沉積(PLD)方法,在高質(zhì)量極性面c面AlN模板上生長(zhǎng)極性面c面ZnO薄膜,研究最佳生長(zhǎng)條件。其次,采用在藍(lán)寶石表面鍍鎳作為緩沖層生長(zhǎng)ZnO薄膜的方法生長(zhǎng)高質(zhì)量ZnO薄膜,降低工藝難度。最后,研究了非極性面a面GaN上生長(zhǎng)高質(zhì)量非極性面

6、ZnO薄膜的優(yōu)化條件。
　　本文主要獲得了以下有意義和有創(chuàng)新性的研究結(jié)果:
　　(1)通過(guò)在低溫成核層上混合使用脈沖原子層外延(PALE)和高溫連續(xù)生長(zhǎng)兩種方法進(jìn)行高質(zhì)量AlN的MOCVD生長(zhǎng)。這種方法既調(diào)控低溫成核密度以降低位錯(cuò)密度,又能以較高速率進(jìn)行高晶體質(zhì)量AlN外延生長(zhǎng),同時(shí)通過(guò)對(duì)MOCVD生長(zhǎng)條件的優(yōu)化來(lái)調(diào)節(jié)應(yīng)力和抑制位錯(cuò),得到的AlN薄膜表面平整光滑,其表面均方根粗糙度(RMS)為1.4nm同時(shí)高分辨X射線衍射儀

7、(HRXRD)測(cè)試結(jié)果表明其(002)和(102)面半高寬(FWHM)分別為82arcsec和575arcsec。
　　(2)基于磁控濺射技術(shù),采用晶格匹配度高的a-GaN/r-Al2O3作為模板,進(jìn)行非極性a面ZnO薄膜生長(zhǎng)。比較研究結(jié)果表明,同直接在r-Al2O3襯底外延的ZnO薄膜質(zhì)量相比,在a-GaN/r-Al2O3模板更容易獲得a面取向的ZnO薄膜。測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)生長(zhǎng)溫度為300℃時(shí),ZnO薄膜的結(jié)晶性能最好,其高分辨X

8、射線衍射儀的FWHM為0.51°(1836arcsec)。
　　(3)采用PLD,研究了AlN緩沖層厚度對(duì)極性面ZnO質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明,在c面藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行極性面ZnO薄膜生長(zhǎng)時(shí),AlN作為緩沖層可以提高晶體成核密度。而且當(dāng)AlN緩沖層的厚度為150nm時(shí),采用PLD生長(zhǎng)ZnO薄膜的結(jié)晶性能最好,其高分辨X射線衍射儀的FWHM為0.09°(324arcsec)。此外,以a-GaN/r-Al2O3作為模板,采用PLD優(yōu)化了