基于ECR-PEMOCVD技术的GaN和InN薄膜的生长及性能研究

论文摘要

以氮化镓（GaN）为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料,由于其在光电子和微电子器件上的应用前景,受到了人们极大的关注。2002年的研究表明,氮化铟（InN）的禁带宽度为0.7eV,而不是之前报道的1.89eV,这就意味着通过调节InxGa1xN三元合金的In组分,可使其禁带宽度从3.39eV（GaN）到0.7eV（InN）连续可调,其对应的吸收光谱的波长从紫外部分（366nm）可以一直延伸到近红外部分（1771nm）,几乎完整覆盖了整个太阳光谱。理论上预测,如果用InxGa1-xN做成叠层太阳能电池,其效率可达72%。然而,要想获得高效率的InGaN太阳电池,制备In组分连续可调的InGaN薄膜是关键,这就要求首先制备高质量的GaN和InN薄膜。本实验是在自行研制的配有反射式高能电子衍射（RHEED）装置的电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）装置上进行的。实验分为两部分：1.采用高纯氮气（N2）为氮源,利用三甲基镓（TMGa）为镓源,在掺铝氧化锌（ZnO：Al）透明导电柔性衬底上生长GaN薄膜；2.采用高纯氮气（N2）为氮源,利用三甲基铟（TMIn）为铟源,在α-Al2O3衬底上生长InN薄膜。利用RHEED、X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）表征薄膜的晶体结构和表面形貌,利用室温光透射谱表征薄膜的光学性质,室温霍尔效应表征薄膜的电学性质,利用拉曼光谱表征薄膜的晶格振动。ZnO：Al衬底上生长的GaN薄膜,在200～500℃温度范围内,具有c轴择优取向的钎锌矿结构,结晶性较好；薄膜表面形貌较为平整；在最佳温度下（450℃）生长的GaN薄膜的光谱透过率为85～90%,禁带宽度为3.45eV。a-Al203衬底上生长的InN薄膜,在350～550℃温度范围,0.4～1.0sccm的TMIn流量范围内,具有良好的（0002）择优取向,且薄膜为单一晶相；拉曼光谱中有显著的A1（LO）和E2 （High）模式；室温载流子迁移率为10～40cm2／v.s,背景方块载流子浓度为1016左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 GaN材料的基本性质
• 1.2.1 晶体结构和物理性质
• 1.2.2 化学性质
• 1.2.3 光学性质
• 1.2.4 电学性质
• 1.3 InN材料的基本性质
• 1.4 GaN基材料的生长技术
• 1.4.1 衬底材料的选择
• 1.4.2 生长方法
• 1.5 Ⅲ族氮化物的应用
• 1.5.1 LED方面的应用
• 1.5.2 蓝紫光LD方面的应用
• 1.5.3 电子器件方面的应用
• 1.5.4 太阳能电池的应用
• 1.6 本论文的研究意义和研究内容
• 2 生长系统和表征方法
• 2.1 生长系统
• 2.1.1 ECR-PEMOCVD技术
• 2.1.2 ECR-PEMOCVD生长系统的总体结构和特点
• 2.2 表征方法
• 2.2.1 RHEED
• 2.2.2 X射线衍射XRD
• 2.2.3 透射光谱
• 2.2.4 原子力显微镜
• 2.2.5 拉曼散射光谱
• 2.2.6 霍尔效应
• 3 ZnO:Al衬底上的GaN薄膜低温生长研究
• 3.1 玻璃衬底的清洗
• 3.2 ZnO:Al薄膜的制备
• 3.3 GaN薄膜的制备
• 3.4 结果与分析
• 3.4.1 沉积温度对GaN薄膜结晶特性的影响
• 3.4.2 沉积温度对GaN薄膜表面形貌的影响
• 3.4.3 沉积温度对GaN薄膜的光学性能的影响
• 3.5 小结
• 2O₃衬底上InN的生长及特性研究'>4 α-Al₂O₃衬底上InN的生长及特性研究
• 4.1 InN薄膜的制备工艺
• 4.1.1 衬底的化学清洗
• 4.1.2 衬底的等离子体清洗
• 4.1.3 衬底的氮化
• 4.1.4 InN薄膜的生长
• 4.2 不同沉积温度下InN薄膜的性能分析
• 4.2.1 RHEED分析
• 4.2.2 XRD分析
• 4.2.3 拉曼分析
• 4.2.4 霍尔测试分析
• 4.3 不同TMIn流量下InN薄膜的性能分析
• 4.3.1 RHEED分析
• 4.3.2 XRD分析
• 4.3.3 拉曼分析
• 4.3.4 霍尔测试分析
• 4.4 小结
• 4.4.1 沉积温度对InN薄膜性能的影响
• 4.4.2 TMIn流量对InN薄膜性能的影响
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢