本文關(guān)鍵詞：六方氧化鎵薄膜的制備及氮化與摻雜特性研究

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【摘要】：半導(dǎo)體材料在信息技術(shù)的各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,在它們的基礎(chǔ)上制備的半導(dǎo)體器件正在逐步改善著人類的生活。隨著信息時代的不斷發(fā)展,人們迫切需要發(fā)現(xiàn)新型半導(dǎo)體材料來滿足科技的發(fā)展,這時,氧化物半導(dǎo)體進入了人們的研究范圍。Ga203作為新型氧化物半導(dǎo)體材料的代表,近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Ga_2O_3是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料,呈現(xiàn)出五種同分異構(gòu)體,分別是α-Ga203、γ-Ga203、δ-Ga_2O_3 β-Ga_2O_3和ε-Ga_2O_3五種結(jié)構(gòu),其中單斜晶系β-Ga_2O_3是最為穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。Ga_2O_3的禁帶寬度位于4.2-4.9eV之間,并以其優(yōu)良的化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性在紫外探測器、場效應(yīng)晶體管、透明導(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域都有著較為廣泛的應(yīng)用。Ga203薄膜常用的制備工藝方法有：磁控濺射法、分子束外延(MBE)、金屬有機物化合物氣相沉積(MOCVD)等方法。目前關(guān)于β-Ga_2O_3材料外延生長的技術(shù)方法的報道比較多,而對于其他晶體結(jié)構(gòu)的研究報道則比較少。基于以上的研究背景,本論文開展了對ε-Ga_2O_3材料生長以及特性的研究,本文是利用MOCVD技術(shù)方法在6H-SiC、藍寶石襯底上外延生長￡-Ga_2O_3薄膜,并分別對它們進行了在N2和NH3的不同氛圍內(nèi)的熱處理,然后系統(tǒng)地研究了熱處理前后薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、外延關(guān)系、表面形貌等性質(zhì)的變化；隨后研究了Zn源流量對MOCVD方法生長氧化鎵薄膜特性的影響。本論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：(1)研究了不同的退火溫度對ε-Ga_2O_3薄膜的晶體結(jié)構(gòu)以及樣品表面形貌的影響,利用MOCVD設(shè)備,用高純TEGa作為Ga源,高純O2作為氧源,Ar作為載氣,在6H-SiC襯底上外延生長ε-Ga_2O_3薄膜,生長溫度為500℃,隨后在N2氛圍下退火30min,退火溫度分別是800℃、850℃和900℃,然后對樣品進行X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)測試。對不同退火溫度下的樣品進行XRD測試結(jié)果分析得出ε-Ga_2O_3薄膜在850℃時開始向β-Ga_2O_3轉(zhuǎn)變,900℃時已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ga_2O_3, ε-Ga_2O_3的熱穩(wěn)定性可以維持在800℃左右。通過高分辨率X射線衍射測試結(jié)果得出￡-Ga203和6H-SiC襯底的面內(nèi)外延關(guān)系為ε-Ga_2O_3 (1120)//6H-SiC(1120),面外外延關(guān)系為ε-Ga_2O_3 (0001)//6H-SiC(0001)。從SEM圖像的分析結(jié)果可知ε-Ga_2O_3薄膜的表面是連續(xù)且平整的,ε-Ga_2O_3薄膜的熱穩(wěn)定性維持在800℃左右。從AFM測試結(jié)果得出樣品的表面粗糙程度先增大后減小,其變化規(guī)律和SEM測試結(jié)果得出的變化規(guī)律是一致的。(2)研究了氮化處理前后的ε-Ga_2O_3薄膜的晶體結(jié)構(gòu)以及薄膜組分的變化。利用上述同樣的條件在藍寶石襯底上外延生長ε-Ga_2O_3薄膜,然后在NH3氛圍內(nèi)退火30min,對兩組樣品進行的XRD、XPS、SEM、AFM、透射譜等測試。從XRD測試結(jié)果可以得到氮化處理后的樣品表面有GaN薄膜形成,并且具有C軸擇優(yōu)取向的特點。從XPS測試結(jié)果可知氮化后的樣品表面有氮化物生成。從SEM圖像可以看出氮化處理后的ε-Ga_2O_3薄膜表面有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生成。透射譜測試結(jié)果表面氮化處理后的樣品在365nm位置處(GaN薄膜的本征吸收邊)有著很明顯的光吸收現(xiàn)象,表明ε-Ga_2O_3薄膜表面有GaN晶體生成。然后研究了Zn源輸入量對ε-Ga_2O_3薄膜的影響,利用金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法,以三乙基鎵為鎵源,二乙基鋅作為摻雜鋅源,高純氧氣作為氧源,高純氬氣作為載氣,在鋅源流量為0.36、0.72、1.44 μmol/min的條件下制備了三種鋅摻雜氧化鎵薄膜樣品。利用薄膜厚度分析儀、X射線衍射儀和紫外-可見雙光束分光光度計測試方法對樣品的膜厚、晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性進行了表征。同時,利用熱蒸發(fā)方法在薄膜表面制備鈦鋁電極,并對其進行了Ⅰ-Ⅴ特性測試。相關(guān)測試結(jié)果表明,氧化鎵薄膜的結(jié)晶和光學(xué)質(zhì)量隨著鋅源流量的增加而提高。當(dāng)鋅源流量為1.44μmol/min時,所制備的氧化鎵薄膜為ε相,且具有(0002)面擇優(yōu)取向,其光學(xué)帶隙為4.93eV,在350-800nm可見光區(qū)平均透射率高于97%。但是摻雜氧化鎵薄膜的導(dǎo)電性隨著Zn源流量增加而略微降低,我們認(rèn)為這是由于摻雜Zn原子未激活,以及氧化鎵晶體質(zhì)量提高使得薄膜中起導(dǎo)電作用的固有缺陷密度降低所致。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN304.055

【參考文獻】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 弭偉;Beta-氧化鎵異質(zhì)外延薄膜的制備及特性研究[D];山東大學(xué);2014年

2 劉遠達;氧化鋅薄膜銅鎵摻雜及其相關(guān)發(fā)光器件制備[D];大連理工大學(xué);2013年

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本文編號：1203332