藍(lán)寶石襯底上Ga2O3薄膜的制備及性質(zhì)研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，透明導(dǎo)電氧化物薄膜由于在發(fā)光二極管、激光器、平面顯示和薄膜太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到越來(lái)越多的關(guān)注。近些年來(lái)，人們對(duì)于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)生了極為濃厚的興趣，因?yàn)閹遁^寬的半導(dǎo)體材料能夠發(fā)出更短波長(zhǎng)的光，且在紫外光區(qū)域能夠保持比較高的透明度，可以用來(lái)制造藍(lán)光及紫外激光器和發(fā)光二極管等發(fā)光器件以及光探測(cè)器件等。如今已發(fā)現(xiàn)并制備出的藍(lán)光材料包括GaN，ZnSe等，并利用這些材料制造出了高效率的藍(lán)光激光器和發(fā)光二極管。

2、　　 Ga2O3是一種具有直接帶隙的寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度約為4.9eV，比GaN(Eg～3.4eV)的禁帶寬度還要大，并且因?yàn)镚a2O3材料具有制備方法簡(jiǎn)單、便于批量生產(chǎn)以及穩(wěn)定的物理化學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)而成為一種非常有前途的紫外和藍(lán)光材料。在多種Ga2O3材料的同分異構(gòu)體中，β-Ga2O3最為穩(wěn)定，也是Ga2O3材料目前應(yīng)用和研究比較多的晶型。β-Ga2O3材料雖然在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，但由于傳統(tǒng)方法制備的薄膜材料的

3、結(jié)構(gòu)和性能比較差，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。要使β-Ga2O3薄膜材料在光電器件等領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用，對(duì)β-Ga2O3材料的單晶外延生長(zhǎng)開展深入系統(tǒng)的研究就顯得尤為重要。
　　 本論文的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　 1.采用MOCVD方法，以高純Ga(CH3)3作為鎵金屬有機(jī)源，高純O2作為氧源，超高純N2作為載氣，在a面藍(lán)寶石α-Al2O3(11(2-)0)、c面藍(lán)寶石α-Al2O3(0001)、m面藍(lán)寶石α-Al2O3

4、(10(1-)0)和r面藍(lán)寶石α-Al2O3(01(1-)2)四種襯底上制備了Ga2O3系列薄膜，其生長(zhǎng)溫度變化范圍為550～700℃。XRD測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)其他實(shí)驗(yàn)條件均相同時(shí)，在650℃的襯底溫度下，α-Al2O3(0001)-襯底上生長(zhǎng)出結(jié)晶質(zhì)量最好的β-Ga2O3薄膜;700℃時(shí)，在α-Al2O3(10(1-)0)襯底上制備出結(jié)晶質(zhì)量最好的α-Ga2O3薄膜。
　　 2.將650℃溫度下四種襯底上制備的樣品在900℃下退

5、火1h，在a面和m面上，退火使晶粒變大，c面和r面上，退火之后結(jié)晶質(zhì)量變差。通過(guò)在空氣中退火處理未能提高c面藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的β-Ga2O3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。
　　 3.在反應(yīng)壓強(qiáng)為20Torr，襯底溫度650℃的條件下c面藍(lán)寶石上制備的β-Ga2O3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好，所得薄膜厚度約為120nm。利用多功能X射線衍射儀和高分辨透射電鏡分析薄膜的結(jié)構(gòu)，可知制備的薄膜與襯底之間存在的面外外延關(guān)系為β-Ga2O3((2-)01)‖Al2O

6、3(0001)，同時(shí)面內(nèi)外延關(guān)系為β-Ga2O3[010]‖Al2O3<1(1-)00>和β-Ga2O3[102]‖Al2O3<11(2-)0>。
　　 4.利用SEM觀察c面藍(lán)寶石上制備薄膜樣品的表面形貌，表面形貌隨生長(zhǎng)溫度變化而變化，在最佳生長(zhǎng)溫度下沉積的薄膜有較大的晶粒尺寸且晶粒邊界清晰、整齊。表面形貌的變化與XRD測(cè)試結(jié)果相吻合。扣除襯底的影響，Ga2O3薄膜的平均透過(guò)率超過(guò)92％;對(duì)應(yīng)的光學(xué)帶隙范圍為4.73～4.96