Si基磁控濺射Ga-,2-O-,3--Al膜制備GaN—維納米結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、由于納米半導(dǎo)體表現(xiàn)出的超出常規(guī)的性質(zhì),因此各種半導(dǎo)體材料的納米結(jié)構(gòu)成了人們研究的熱點(diǎn).納米線、納米帶和納米棒作為新穎的-維量子材料越來越多引起了人們的研究興趣.2001年《科學(xué)》雜志宣布基于半導(dǎo)體納米線的納米電路是人類科學(xué)的一個(gè)重大突破.最近《自然》雜志上一篇報(bào)道稱"無論如何,納米線、納米棒和納米晶須都是納米科技中的研究熱點(diǎn)".毫無疑問基于納米結(jié)構(gòu)的-維量子材料將是未來十年內(nèi)科研的新的立足點(diǎn).由于在藍(lán)光發(fā)光管和高功率電子器件方面的廣泛應(yīng)

2、用,GaN是一種很重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料.隨著目前納米科技的迅猛發(fā)展,人們進(jìn)行了很多研究來合成用于制備納米器件GaN-維納米結(jié)構(gòu),如納米線和納米帶等. GaN是一種直接帶隙的半導(dǎo)體,在短波長器件領(lǐng)域有不可替代的作用.GaN及其相關(guān)的固熔體可以實(shí)現(xiàn)帶隙從1.9eV到6.2eV的連續(xù)可調(diào),是制作短波長半導(dǎo)體激光器的理想材料.目前,GaN基近紫外、藍(lán)光和綠光發(fā)光二極管已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,激光器和光探測器的研究也方興未艾.由于禁帶較寬,GaN激

3、光器具有較短的波長,用于激光存儲將大大提高存儲密度.另外,GaN基的高亮度白光發(fā)光二極管,具有低能耗、高效率、壽命長、價(jià)格低廉的特點(diǎn),是真正的冷光源,有望在將來取代傳統(tǒng)的白熾燈,成為主要的照明工具,它將使人類的生活發(fā)生巨大的變革. 由于優(yōu)良的性質(zhì)及巨大的應(yīng)用價(jià)值,GaN被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體的典型代表.近年來,GaN-維納米結(jié)構(gòu),具有許多新奇的物理特性,在一維器件系統(tǒng)方面具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值,因此GaN的-維納米結(jié)構(gòu)的研究成為當(dāng)前

4、研究GaN納米材料最活躍的領(lǐng)域之一,我們的研究是基于Si材料的GaN-維納米結(jié)構(gòu). Si是一類極普通且具有發(fā)展?jié)摿Φ囊r底材料,價(jià)格便宜,易于獲得大尺寸材料和制作電極,更重要的是在Si上生長的GaN及其器件便于和硅基大規(guī)模電路的集成.但目前在Si上生長GaN材料存在以下的幾個(gè)主要問題:1)晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配.2)兩者之間存在浸潤性上的差異.3)在生長過程中容易形成Si<,3>N<,4>.因此很難直接在Si襯底上制備出質(zhì)量較高

5、的GaN單晶. 在本論文中,我們使用了活潑金屬Al作為緩沖層,采用濺射氨化兩個(gè)過程在Si襯底上來生長GaN低維納米結(jié)構(gòu)材料.同時(shí)作為替代藍(lán)寶石襯底材料的探索,在氧化處理后的Al緩沖層上也制備了GaN納米結(jié)構(gòu).詳細(xì)的描述了上述納米結(jié)構(gòu)的制備過程,探索了制備條件和工藝參數(shù)對GaN納米結(jié)構(gòu)結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌的影響,最終找出了利用該方法制備GaN納米結(jié)構(gòu)的最佳生長參數(shù).根據(jù)GaN材料的低維納米結(jié)構(gòu)的在不同生長條件下的表面形貌和結(jié)晶性能,

6、研究了GaN納米結(jié)構(gòu)材料的生長機(jī)制. 對本論文的內(nèi)容可以作如下的概括:1.采用射頻磁控濺射法在Al/Si膜和經(jīng)過氧化處理的Al/Si膜上分別沉積Ga<,2>O<,3>薄膜,然后通過薄膜樣品的氨化反應(yīng)獲得GaN的低維納米結(jié)構(gòu)材料.Al薄膜和氧化處理成的α-Al<,2>O<,3>作為中間層,我們發(fā)現(xiàn),在同樣的Ga<,2>O<,3>薄膜厚度、氨化溫度和氨化時(shí)間下,中間層的存在對Si襯底上的GaN低維納米結(jié)構(gòu)的密度、結(jié)晶質(zhì)量以及表面平滑

7、性能均有較大的提高作用.2.通過對相同的氨化時(shí)間和氨化溫度下的樣品對比,認(rèn)為生長GaN納米結(jié)構(gòu)結(jié)晶質(zhì)量最好的的Al緩沖層厚度約為20nm,小于或大于該厚度,均不利于納米結(jié)構(gòu)的形成,且不容易形成表面光滑的GaN納米結(jié)構(gòu),而氧化成α-Al<,2>O<,3>的Al膜生長GaN的最佳厚度為則300nm.3.在最佳的溫度、厚度和氨化時(shí)間條件下,得到了表面較平滑的GaN納米線,直徑大約在50nm,用XRD測試分析,該納米線為六方相的GaN晶體,進(jìn)一

8、步對其選區(qū)電子衍射(SAED)分析,得到納米線為單晶結(jié)構(gòu);高分辨電鏡(HREM)分析顯示納米線的生長取向?yàn)閇100]方向,納米線軸向與[100]方向成50°.4.不同氨化時(shí)間下納米線的形態(tài)不同,隨氨化時(shí)間的延長,在Al緩沖層和經(jīng)過氧化處理的Al緩沖層表面的納米結(jié)構(gòu)大致經(jīng)歷了:大的顆粒分布----粗棒的聚集----細(xì)線的團(tuán)聚---平直柱狀的變化過程.我們初步探討了納米線生長的機(jī)理.對不同條件下得到的形態(tài)不一的納米線進(jìn)行了測試表征.5. 用