GaN纳米材料的CVD制备与研究

论文摘要

氮化镓（GaN）是宽带隙Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的代表,其禁带宽度为Eg=3.4eV,具有高饱和电子漂移速度、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高硬度等特性,是制作高效率蓝绿光发光二极管、蓝光半导体激光器、高频大功率场效应晶体管和紫外光探测器等半导体器件的首选材料。在实际应用中通常使用的GaN材料为薄膜形式,研究人员尝试用不同方法来制备GaN薄膜,最早出现的是氢化物气相外延生长（HVPE）,随后是金属有机气相沉积（MOCVD）和分子束外延生长（MBE）。近年来出现的一些新型方法有电泳沉积（EPD）、脉冲激光沉积（PLD）、磁控溅射（MS）、溶胶-凝胶（Sol-Gel）等。本文中实验均采用设备简单、成本低廉、操作容易的化学气相沉积法（APCVD）。通过HRXRD、FESEM、AFM、EDS、PL等测试手段对样品的结构、形貌及光学性能等特性进行了表征,通过对测试结果的分析,不断优化制备工艺,提高产物性能。目前,除GaN衬底外,其他衬底与GaN纳米材料之间均存在晶格失配和热膨胀系数失配,因此,采用合适的衬底并借助缓冲层成了研究者关注的热点。本论文中实验采用常压化学气相沉积法在不同衬底、不同缓冲层上制备GaN薄膜,分析了合成产物的组分、结构和光学性质,探讨了所得产物的生长机理与影响因素。除了GaN薄膜材料外,其他形貌的GaN微纳米材料也被应用于光电子器件。本文采用简单的CVD方法,以金膜和铟丝作辅助剂,在硅衬底上以双催化剂模式生长GaN微纳材料。在此过程中,出现了不同形貌的GaN微纳米材料,并研究了产物的结构、辅助剂的作用及其生长机理。1、以金属镓和氨气为原料,分别在Si、Al2O3和GaAs三种衬底上生长GaN薄膜。由于GaAs衬底的热稳定性不好,而氨气的分解温度在850℃左右,因此实验选择在870℃下进行。分析结果表明产物均为六方纤锌矿多晶结构,其中Al2O3衬底上所得薄膜的结晶质量和发光性能最好,而GaAs衬底上所得薄膜出现脱层。2、以金属镓和氨气为原料,金属Al和Au/Al为缓冲层,在1000℃下生长GaN薄膜。分析结果表明加入金属缓冲层后所得的GaN薄膜的致密度、结晶性能、发光强度都有所改善。3、以金属镓和氨气为原料,金和铟为辅助剂,在双辅助剂的生长模式下合成GaN微纳材料,出现了各种不同形貌的GaN微纳米材料。考察了辅助剂、反应时间、反应温度、氨气流量对产物的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 GaN的基本性质
• 1.2.1 物理特性
• 1.2.2 化学特性
• 1.2.3 光学特性
• 1.2.4 电学特性
• 1.3 GaN薄膜的生长方法
• 1.3.1 化学气相沉积（CVD）
• 1.3.2 氢化物气相外延（HVPE）
• 1.3.3 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 1.3.4 分子束外延（MBE）
• 1.3.5 电泳沉积（EPD）
• 1.3.6 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.3.7 磁控溅射法（MS）
• 1.3.8 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
• 1.4 GaN薄膜生长所使用的衬底
• 1.5 一维GaN纳米结构的制备方法
• 1.5.1 模板生长法
• 1.5.1.1 碳纳米管作模板生长GaN纳米棒
• 1.5.1.2 氧化锌模板制备GaN纳米管
• 1.5.1.3 氧化铝模板合成GaN纳米线
• 1.5.2 气-液-固合成法
• 1.5.2.1 激光辅助催化法
• 1.5.2.2 催化剂存在下的化学气相沉积合成法
• 1.5.2.3 催化剂存在下的两步合成法
• 1.5.2.4 自催气-液-固合成法
• 1.5.3 氧化辅助合成法
• 1.5.4 直接反应法
• 1.6 GaN材料的应用
• 1.6.1 GaN基发光二极管（LEDs）
• 1.6.2 GaN基激光二极管（LDs）
• 1.6.3 GaN基电子器件
• 1.6.4 GaN基紫外光探测器
• 1.7 选题依据
• 第二章 实验试剂、制备仪器和表征方法
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 喷金系统
• 2.2.2 高真空电子束蒸发镀膜机
• 2.2.3 反应装置
• 2.2.4 其他仪器
• 2.3 样品表征方法
• 2.3.1 HRXRD分析
• 2.3.2 EDS测定
• 2.3.3 FESEM观察
• 2.3.4 AFM观察
• 2.3.5 PL分析
• 第三章 GaN薄膜的制备与研究
• 3.1 引言
• 3.2 不同衬底上生长GaN薄膜
• 3.2.1 样品的制备
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 不同缓冲层上生长Si基GaN薄膜
• 3.3.1 样品的制备
• 3.3.1.1 缓冲层的制备
• 3.3.1.2 GaN薄膜的生长
• 3.3.2 衬底表面形貌的表征
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.3.4 生长机理
• 3.4 本章小结
• 第四章 双辅助剂下GaN微纳材料的制备与研究
• 4.1 引言
• 4.2 辅助剂对合成GaN微纳材料的影响
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 双辅助剂下合成GaN微纳材料的生长规律
• 4.3.1 不同反应温度对GaN微纳材料生长的影响
• 4.3.1.1 样品制备
• 4.3.1.2 结果与讨论
• 4.3.2 不同反应时间对GaN微纳材料生长的影响
• 4.3.2.1 样品制备
• 4.3.2.2 结果与讨论
• 4.3.3 不同氨气流量对GaN微纳材料生长的影响
• 4.3.3.1 样品制备
• 4.3.3.2 结果与讨论
• 4.3.4 GaN微纳米材料的形成机理
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文