等離子增強原子層沉積技術制備GaN的研究.pdf

1、以GaN為代表的寬禁帶 III族氮化物半導體材料在短波長高亮度藍紫光發(fā)光器件、藍紫光激光器、光探測器以及高頻高功率電子器件等方面有著廣闊的應用前景和商業(yè)價值。自上世紀90年代初日本科學家Nakamura以MOCVD技術在國際上首次實現了GaN基藍光LED以來，各類GaN基光電器件進入了高速發(fā)展階段，MOCVD技術成為制備GaN基器件外延材料的主流技術。盡管如此，MOCVD技術在制備GaN基外延材料方面也存在弊端，如過高的生長溫度（>10

2、00℃）帶給薄膜高的背景載流子濃度以及薄膜的均勻性差等。本文由此為出發(fā)點，利用等離子增強原子層沉積技術（PE-ALD）生長溫度低、薄膜厚度精確可控、獨有的保形性等優(yōu)勢，實現GaN薄膜的低溫生長。
　　分別以三甲基鎵（TMG）和N2/H2混合氣作為Ga源和N源前驅體，利用PE-ALD技術在不同工藝參數條件下制備GaN薄膜樣品，利用橢圓偏振光譜儀、GIXRD、XPS、AFM等對薄膜樣品進行表征，系統(tǒng)地對TMG脈沖時間、N2/H2混合氣

3、脈沖時間以及溫度參數進行優(yōu)化，確定了其生長溫度窗口。實驗結果表明：GaN薄膜的生長速率與N2/H2混合等離子體脈沖時間、生長溫度密切相關，但與TMG脈沖時間無關；TMG和N2/H2混合等離子體最佳脈沖時間分別為0.01 s和30 s，以TMG和N2/H2混合氣為前驅體制備GaN薄膜的生長溫度窗口為210-270℃。生長溫度較低時GaN薄膜呈非晶態(tài)，生長溫度較高時薄膜呈多晶態(tài)，以（002）取向為主。薄膜中N元素全都以N-Ga鍵存在，大部分

4、的Ga元素與N結合形成Ga-N鍵生成GaN，有少量的Ga元素與O雜質元素結合成Ga-O鍵生成Ga2O3，多晶GaN薄膜含有少量非晶態(tài)Ga2O3。生長溫度越高時，薄膜的雜質含量越低，其光電性能便越好，黃光與帶邊發(fā)光強度比越低，載流子遷移率越高。
　　利用PE-ALD技術采用三種不同種類的氮源（NH3、N2和N2/H2混合氣）生長GaN薄膜，利用GIXRD、AFM、XPS以及橢圓偏振光譜儀對薄膜進行表征和分析。實驗結果表明：氮源種類對

5、GaN薄膜結晶質量有著較大影響。氮源為NH3時，薄膜的結晶質量較差；氮源為N2時，薄膜有著一定的結晶度，但結晶質量不高；氮源為N2/H2混合氣時，薄膜有著較高的結晶質量，為多晶薄膜。氮源中H的存在能有效促進甲基的斷裂和薄膜的生長，但H、N含量的過高或過低都會抑制薄膜的生長速率。
　　以水熱合成技術生長ZnO NWs為襯底，利用PE-ALD技術在ZnO NWs上生長GaN包覆層，成功制備出GaN/ZnO NWs同軸異質結構，這種一維

6、同軸異質結構是其他氣相沉積技術難以完成的，該同軸異質結構的成功制備具有一定先進性。利用XRD、FESEM、EDS、PL光譜等手段對該同軸異質結進行表征和分析。實驗結果表明：GaN/ZnO NWs同軸異質結為六方纖鋅礦結構，與襯底ZnO NWs的結構保持一致；同時GaN/ZnO NWs同軸異質結中Ga元素和N元素在整個納米線區(qū)域從上到下均勻地分布著，表明GaN包覆層均勻地異質外延生長于ZnO NWs上。GaN/ZnO NWs同軸異質結室溫