等離子增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)制備GaN的研究.pdf

1、以GaN為代表的寬禁帶 III族氮化物半導(dǎo)體材料在短波長高亮度藍(lán)紫光發(fā)光器件、藍(lán)紫光激光器、光探測器以及高頻高功率電子器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。自上世紀(jì)90年代初日本科學(xué)家Nakamura以MOCVD技術(shù)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了GaN基藍(lán)光LED以來，各類GaN基光電器件進(jìn)入了高速發(fā)展階段，MOCVD技術(shù)成為制備GaN基器件外延材料的主流技術(shù)。盡管如此，MOCVD技術(shù)在制備GaN基外延材料方面也存在弊端，如過高的生長溫度（>10

2、00℃）帶給薄膜高的背景載流子濃度以及薄膜的均勻性差等。本文由此為出發(fā)點(diǎn)，利用等離子增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)（PE-ALD）生長溫度低、薄膜厚度精確可控、獨(dú)有的保形性等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)GaN薄膜的低溫生長。
　　分別以三甲基鎵（TMG）和N2/H2混合氣作為Ga源和N源前驅(qū)體，利用PE-ALD技術(shù)在不同工藝參數(shù)條件下制備GaN薄膜樣品，利用橢圓偏振光譜儀、GIXRD、XPS、AFM等對薄膜樣品進(jìn)行表征，系統(tǒng)地對TMG脈沖時間、N2/H2混合氣

3、脈沖時間以及溫度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了其生長溫度窗口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：GaN薄膜的生長速率與N2/H2混合等離子體脈沖時間、生長溫度密切相關(guān)，但與TMG脈沖時間無關(guān)；TMG和N2/H2混合等離子體最佳脈沖時間分別為0.01 s和30 s，以TMG和N2/H2混合氣為前驅(qū)體制備GaN薄膜的生長溫度窗口為210-270℃。生長溫度較低時GaN薄膜呈非晶態(tài)，生長溫度較高時薄膜呈多晶態(tài)，以（002）取向?yàn)橹?。薄膜中N元素全都以N-Ga鍵存在，大部分

4、的Ga元素與N結(jié)合形成Ga-N鍵生成GaN，有少量的Ga元素與O雜質(zhì)元素結(jié)合成Ga-O鍵生成Ga2O3，多晶GaN薄膜含有少量非晶態(tài)Ga2O3。生長溫度越高時，薄膜的雜質(zhì)含量越低，其光電性能便越好，黃光與帶邊發(fā)光強(qiáng)度比越低，載流子遷移率越高。
　　利用PE-ALD技術(shù)采用三種不同種類的氮源（NH3、N2和N2/H2混合氣）生長GaN薄膜，利用GIXRD、AFM、XPS以及橢圓偏振光譜儀對薄膜進(jìn)行表征和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氮源種類對

5、GaN薄膜結(jié)晶質(zhì)量有著較大影響。氮源為NH3時，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較差；氮源為N2時，薄膜有著一定的結(jié)晶度，但結(jié)晶質(zhì)量不高；氮源為N2/H2混合氣時，薄膜有著較高的結(jié)晶質(zhì)量，為多晶薄膜。氮源中H的存在能有效促進(jìn)甲基的斷裂和薄膜的生長，但H、N含量的過高或過低都會抑制薄膜的生長速率。
　　以水熱合成技術(shù)生長ZnO NWs為襯底，利用PE-ALD技術(shù)在ZnO NWs上生長GaN包覆層，成功制備出GaN/ZnO NWs同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種一維

6、同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)是其他氣相沉積技術(shù)難以完成的，該同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)的成功制備具有一定先進(jìn)性。利用XRD、FESEM、EDS、PL光譜等手段對該同軸異質(zhì)結(jié)進(jìn)行表征和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：GaN/ZnO NWs同軸異質(zhì)結(jié)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，與襯底ZnO NWs的結(jié)構(gòu)保持一致；同時GaN/ZnO NWs同軸異質(zhì)結(jié)中Ga元素和N元素在整個納米線區(qū)域從上到下均勻地分布著，表明GaN包覆層均勻地異質(zhì)外延生長于ZnO NWs上。GaN/ZnO NWs同軸異質(zhì)結(jié)室溫