GaN及GaN基薄膜的制備、表征和特性研究.pdf

1、本文的主要內(nèi)容是利用脈沖激光燒蝕(pulsedlaserablation,PLA)產(chǎn)生的激光等離子體和電子回旋共振(electroncyclotronresonance,ECR)微波放電的聯(lián)合作用,嘗試用ECR等離子體輔助脈沖激光沉積(ECRplasmaassistedpulsedlaserdeposition,ECR-PLD)的方法和由此發(fā)展的ECR輔助雙激光雙靶脈沖激光燒蝕的方法進(jìn)行氮化鎵(GaN)和基于GaN的若干薄膜的制備沉積和

2、原位摻雜,包括氮化鎵(GaN)、摻鉺氮化鎵(GaN:Er)、摻鐠氮化鎵(GaN:Pr)等薄膜,以及Si襯底上緩沖層的沉積和緩沖層對生長GaN薄膜的影響。
　　 脈沖激光沉積(PLD)是利用激光特性對材料進(jìn)行燒蝕并以等離子體的形式從靶材轉(zhuǎn)移到襯底上的薄膜制備方法,已有很多成功的應(yīng)用。ECR微波放電是在低工作氣壓下對氣體進(jìn)行放電產(chǎn)生密度高、電離度高、純度高的等離子體。這兩種技術(shù)結(jié)合在一起發(fā)展成ECR-PLD這種新的薄膜制備方法,它綜

3、合了PLD成膜和ECR微波放電等離子體的特點(diǎn),適宜于低溫條件下化合物的合成與薄膜的生長,并由此提出了ECR等離子體輔助雙激光雙靶脈沖激光燒蝕的化合物薄膜制備和原位摻雜的新方法。
　　 GaN是一種直接帶隙的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料,室溫禁帶寬度為3.4eV,是一種很有前途的短波長光電子材料,具有耐高溫、耐腐蝕、飽和速率大、熱導(dǎo)性好等特點(diǎn),使GaN材料和GaN基器件具有廣闊的應(yīng)用潛力和良好的市場前景。本論文以多晶GaAs為靶材料,在活性

4、ECR氮等離子體環(huán)境中用脈沖激光燒蝕多晶GaAs靶,用ECR氮等離子體輔助的脈沖激光沉積方法在低溫下合成制備了GaN薄膜.高能離子背散射(HEIBS)譜,X射線光電子(XPS)譜,傅立葉變換紅外光(FTIR)譜和可見波段透射譜等表征分析方法都從不同角度證實我們使用ECR-PLD的方法制備得到了高純度的GaN薄膜。
　　 稀土(rareearth,RE)元素由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)而具有許多重要的光電子學(xué)應(yīng)用,包括制作光通訊元件、光存

5、儲和光顯示、固體激光器等器件的材料。Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體由于寬的直接能隙和高的光學(xué)激活等特性,是稀土摻雜的理想的基質(zhì)材料。從材料制備上看,目前較多的嘗試是采用稀土注入和薄膜生長過程中的原位摻雜,包括分子束外延、液相外延和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積等。盡管它們都有獨(dú)到之處,但存在或容易造成基質(zhì)材料的損傷與注入不均勻的問題,或不易提高摻雜濃度等問題。本論文采用ECR等離子體輔助的雙激光雙靶共燒蝕方法進(jìn)行基質(zhì)GaN膜層的沉積和稀土元素的原位摻雜,在保障

6、均勻摻雜的基礎(chǔ)上,有效控制樣品的摻雜濃度和均勻性。在ECR-PLD制備GaN薄膜的基礎(chǔ)上,用另一束激光燒蝕稀土元素靶材(鉺,鐠),實現(xiàn)化合物薄膜和原位摻雜的同步實現(xiàn)。
　　 Si襯底和GaN系列薄膜存在襯底和膜層間晶格失配和熱失配的問題,合適的緩沖層是解決這類問題的途徑之一,本論文嘗試用雙激光雙靶PLD的方法制備了SiC薄膜和用ECR-PLD方法制備了AIN薄膜,作為Si襯底上GaN薄膜的緩沖層材料。經(jīng)過表征分析,選擇了與GaS