本文選題：金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積　切入點(diǎn)：β-Ga_2O_3同質(zhì)外延薄膜　出處：《山東大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：透明氧化物半導(dǎo)體材料由于具有優(yōu)良的光電特性而受到人們的普遍關(guān)注,并在太陽能電池、平面顯示、透明薄膜晶體管、探測器、發(fā)光二極管和激光器等許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著光電子學(xué)的研究探索領(lǐng)域向短波長范圍發(fā)展,要求半導(dǎo)體薄膜材料的透明區(qū)域向紫外甚至深紫外波段拓展。為了滿足紫外光電器件快速發(fā)展的需求,迫切需要研制新型的紫外光電半導(dǎo)體薄膜材料。β-氧化鎵(β-Ga203)是一種很有前途的深紫外半導(dǎo)體光電材料,它具有帶隙寬(～4.9 eV)、機(jī)械強(qiáng)度高、物理和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。異質(zhì)生長的β-Ga203,由于薄膜與襯底之間存在較大的晶格失配,因此制備的氧化鎵薄膜材料大多是非晶或多晶結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)和性能都比較差,因而離實(shí)際應(yīng)用還有較大的距離。當(dāng)前國內(nèi)外鮮有β-Ga203薄膜同質(zhì)外延生長的報(bào)道,要使β-Ga203薄膜材料在光電器件等領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用,對β-Ga2O3單晶材料的同質(zhì)外延生長開展深入系統(tǒng)的研究是非常必要的。全面深入地進(jìn)行β-Ga203薄膜的同質(zhì)外延以及摻雜的研究工作,將為該材料在透明半導(dǎo)體光電器件和紫外光電器件的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的二元半導(dǎo)體材料都存在著一個(gè)非常普遍的問題是禁帶寬度難以調(diào)控。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展,需要研制新型的、帶隙寬度可調(diào)的寬帶隙半導(dǎo)體材料。氧化鋁(Al2O3)和氧化銦(In_2O_3)都是寬禁帶透明氧化物材料,它們的光學(xué)帶隙分別為8.7 eV和3.7 eV。鋁銦氧化物[Al2xln2(1-x)O3]薄膜材料可以看作是由Al2O3和In203兩種材料按照不同比例形成的三元合金材料,其帶隙寬度可以根據(jù)材料中鋁和銦所占的比例不同而實(shí)現(xiàn)在3.7～8.7 eV范圍內(nèi)調(diào)制,是一種很有應(yīng)用前景的紫外透明半導(dǎo)體材料。系統(tǒng)地研究Al2xIn2(1x)O3薄膜的制備、結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)等,這在透明光電子器件材料研究方面具有重要的科學(xué)意義,同時(shí)也為該材料在透明光電器件的應(yīng)用提供必要的參考依據(jù)。本論文研究內(nèi)容分為三部分:第一部分,使用MOCVD工藝在β-Ga203單晶襯底上同質(zhì)外延生長β-Ga203及其摻雜薄膜,研究了薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì);第二部分,使用MOCVD方法在SiO2和α-Al203單晶襯底上制備不同組分的Al2xIn2(1-x)O3薄膜,系統(tǒng)地研究了薄膜的制備工藝、生長機(jī)理、結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì);第三部分,在第二部分研究工作的基礎(chǔ)上,制備出新型In-Al-Sn-O(IATO)薄膜材料,詳細(xì)研究了錫含量對制備薄膜結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的影響。第一部分研究內(nèi)容如下:1.采用MOCVD工藝,以三甲基鎵[Ga(CH3)3]和高純氧氣作為前驅(qū)物,超高純氮?dú)庥米鬏d氣,在單晶β-Ga203(100)襯底上同質(zhì)外延生長出高質(zhì)量β-Ga2O3薄膜,生長溫度分別為600℃、650℃和700℃,探究了不同生長溫度對薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。不同溫度下制備的薄膜均為平行于單晶襯底β-Ga2O3(100)晶面生長的單晶外延薄膜。通過對薄膜樣品的結(jié)構(gòu)測試分析可以得出650℃下生長的β-Ga203薄膜內(nèi)部無孿晶結(jié)構(gòu),結(jié)晶質(zhì)量最好。薄膜樣品在可見及紫外光區(qū)域的平均透過率約為80%,600、650和700℃下制備的薄膜的光學(xué)帶隙值分別約為 4.72、4.73 和 4.68 eV。2.在以上研究工作的基礎(chǔ)上,采用四乙基錫[Sn(C2H5)4]作為Sn的有機(jī)金屬源,對β-Ga203同質(zhì)外延薄膜進(jìn)行n型摻雜。為提高摻Sn效率,將生長溫度提高至700℃,Sn摻雜濃度范圍為1%-12%。XRD結(jié)果表明所有薄膜都是沿著β-Ga203襯底[100]方向同質(zhì)外延生長的,并且薄膜結(jié)晶質(zhì)量隨著Sn摻雜濃度的增大顯示出先提高后降低的變化趨勢。通過電學(xué)性質(zhì)的測試分析可以得出Sn摻雜濃度為10%的薄膜具有最低的電阻率值約為1.20×10-10-1Ω·cm,對應(yīng)的載流子濃度約為9.54×1017cm-3,霍爾遷移率約為12.03cm2V-1s-1。研究分析了薄膜的摻雜機(jī)理和導(dǎo)電機(jī)制,證實(shí)了 Sn元素對于β-Ga203薄膜而言是一種有效的n型摻雜劑,薄膜的電阻率可以通過Sn摻雜的方式進(jìn)行調(diào)控。所有薄膜樣品在近紫外和可見光波段的平均透過率均超過了 85%,薄膜的光學(xué)帶隙在4.16-4.69 eV之間變化。第二部分研究內(nèi)容如下:1.使用MOCVD技術(shù),選用三甲基銦[In(CH3)3]作為銦的前驅(qū)物,高純氧氣作為氧化劑,在650℃下于不同切向Si02單晶襯底上制備了 In_2O_3薄膜。XRD結(jié)果顯示z切向的SiO2(0001)襯底上生長的In_2O_3薄膜取向單一,結(jié)晶質(zhì)量最高。因此,選擇Si02(0001)襯底外延生長In_2O_3薄膜,生長溫度的范圍為570-690℃。通過結(jié)構(gòu)測試分析可以得出650℃下制備的In_2O_3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最高且內(nèi)部無疇結(jié)構(gòu),并確定了在SiO2(0001)襯底上生長In_2O_3薄膜的面內(nèi)生長關(guān)系為In_2O_3[110]//SiO110,同時(shí)面外外延關(guān)系為 In_2O_3(111)//SiO2(0001)。不同溫度下制備薄膜的霍爾遷移率在15.43-27.84 cm2V-1s-1范圍之間,載流子濃度在5.03×1019-5.65×1019cm-3 范圍之間,電阻率在 4.24×10-3-4.89×10-3Ω·cm 范圍之間。制備薄膜具有良好的光學(xué)透過性,所有薄膜樣品在可見光波段的平均透過率均超過了 82%,650℃下制備的薄膜具有最小的光學(xué)帶隙值約為3.68 eV。2.在確定了外延生長In_2O_3薄膜的最佳制備工藝的基礎(chǔ)上,分別用Al(CH3)3和In(CH3)3作為鋁和銦的有機(jī)金屬源,高純氧氣作為氧化劑,在Si02(0001)襯底上、650℃襯底溫度下,制備不同Al含量的Al2xIn2(1-x)O3[原子比x=Al/(Al+In)]薄膜,研究組分變化對薄膜材料的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性能的影響。XRD和HRTEM測試結(jié)果顯示,隨著Al含量的增多,薄膜由取向單一的方鐵錳礦In_2O_3結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)榉蔷Щ蚣{米晶結(jié)構(gòu)。XPS測試結(jié)果證實(shí)了制備的薄膜為鋁銦氧化物,且薄膜樣品中鋁和銦的實(shí)際原子比都略小于實(shí)驗(yàn)設(shè)定值。隨著Al含量x從0.1增加到0.4,薄膜的霍爾遷移率從14.62 cm2V-1s-1單調(diào)遞減至3.89 cm2V-1s-1,載流子濃度的變化范圍為7.26×1019-3.38×10200 cm-3,電阻率的變化范圍為2.15×10-3-2.23×10-1Ω·cm。在可見光區(qū)域,所有薄膜樣品的平均透過率均超過了82%,隨著A1含量x從0增加到0.9,薄膜樣品的光學(xué)帶隙值從3.74 eV接近線性地增加到5.91 eV。3.選取最常用的α-Al203(0001)作為襯底材料來制備A12xIn2(1x)O3薄膜,MOCVD工藝條件與在Si02(0001)襯底上制備Al2xIn2(1-x)O3薄膜的相同。隨著鋁含量的增加,薄膜結(jié)晶質(zhì)量逐漸變差,由方鐵錳礦In_2O_3多晶結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)榉蔷Щ蛘呶⒕ЫY(jié)構(gòu)。隨著薄膜中Al含量x從0.1增加到0.4,薄膜的霍爾遷移率從14.63 cm2V-1s-1單調(diào)遞減至4.6 cm2V-1s-1,載流子濃度的變化范圍為8.5×1019-2.27×1020 cm-3,電阻率的變化范圍為1.52×10-3-1.9×10-1 Ω·cm。對Al含量x為0.2和0.4的薄膜樣品做了變溫霍爾測試,并對兩者的導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了研究分析。所有薄膜樣品的吸收邊都出現(xiàn)在紫外光區(qū)域,在可見光范圍內(nèi)薄膜樣品的平均透過率均超過83%,薄膜的光學(xué)帶隙隨Al含量的增多從3.82 eV單調(diào)增加到5.88 eV。第三部分研究內(nèi)容如下:基于第二部分Al2In2(1-x)O3薄膜的制備工藝和研究分析結(jié)果,以Al含量x為0.65的Al1.3In0.7O3薄膜作為基礎(chǔ),選用Sn(C2H5)4作為錫的有機(jī)金屬源,分別在Si02(0001)和α-Al203(0001)襯底上以700℃的生長溫度制備出了新型的In-Al-Sn-O(IATO)薄膜材料,詳細(xì)研究了錫含量對制備薄膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)等性質(zhì)的影響。1.在Si02(0001)襯底上制備了 IATO薄膜。結(jié)構(gòu)分析表明隨著Sn含量的增加,薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到提高,并且Sn含量為15%的薄膜結(jié)晶質(zhì)量最高。XPS能譜圖顯示制備的薄膜是純凈的銦鋁錫氧化物,并且各金屬元素都充分氧化,薄膜中不存在金屬原子聚集的情況。隨著Sn含量由0%增加至18%,薄膜的霍爾遷移率先增大后減小,并在Sn含量為15%時(shí)達(dá)到最大值為15.59 cm2V-1s-1,同時(shí)對應(yīng)最大的載流子濃度值2.38×1020 cm-3和最小的電阻率值1.51×10-3Ω·cm。對Sn含量為15%的IATO薄膜的導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了研究分析。所有薄膜樣品在可見光區(qū)域的平均透過率均超過了 81%,且隨著Sn含量的增多,薄膜的光學(xué)帶隙從5.03 eV單調(diào)遞減至4.05 eV。對IATO薄膜的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)帶隙隨錫含量變化的原因進(jìn)行了分析研究。2.在αα-Al203(0001)襯底上制備了 IATO薄膜。XRD結(jié)果表明,隨著Sn含量從0%增加到18%,薄膜從非晶或微晶結(jié)構(gòu)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)而變?yōu)榛煜嘟Y(jié)晶結(jié)構(gòu),且Sn含量為15%的IATO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最高。HRTEM結(jié)果顯示,Sn含量為15%的薄膜是結(jié)晶良好的多晶結(jié)構(gòu),并且結(jié)晶比例高、晶粒間界少。通過電學(xué)性質(zhì)的測試分析可以得出,當(dāng)Sn含量為15%時(shí),薄膜的霍爾遷移率具有最大值為15.47 cm2V-1s-1,此時(shí)對應(yīng)最大的載流子濃度值2.1×1020 cm-3和最低的電阻率值2.13×10-3Ω·cm。IATO薄膜樣品在可見光區(qū)域的平均透過率超過了 80%,且Sn含量為15%、對應(yīng)于最佳結(jié)晶質(zhì)量的薄膜樣品的光學(xué)帶隙值約為4.13 eV。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O484

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本文編號：1597769