论文摘要
本文的主要内容是利用脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation,PLA）产生的激光等离子体和电子回旋共振（electron cyclotron resonance,ECR）微波放电的联合作用,尝试用ECR等离子体辅助脉冲激光沉积（ECR plasma assisted pulsed laserdeposition,ECR-PLD）的方法和由此发展的ECR辅助双激光双靶脉冲激光烧蚀的方法进行氮化镓（GaN）和基于GaN的若干薄膜的制备沉积和原位掺杂,包括氮化镓（GaN）、掺铒氮化镓（GaN:Er）、掺镨氮化镓（GaN:Pr）等薄膜,以及Si衬底上缓冲层的沉积和缓冲层对生长GaN薄膜的影响。脉冲激光沉积（PLD）是利用激光特性对材料进行烧蚀并以等离子体的形式从靶材转移到衬底上的薄膜制备方法,已有很多成功的应用。ECR微波放电是在低工作气压下对气体进行放电产生密度高、电离度高、纯度高的等离子体。这两种技术结合在一起发展成ECR-PLD这种新的薄膜制备方法,它综合了PLD成膜和ECR微波放电等离子体的特点,适宜于低温条件下化合物的合成与薄膜的生长,并由此提出了ECR等离子体辅助双激光双靶脉冲激光烧蚀的化合物薄膜制备和原位掺杂的新方法。GaN是一种直接带隙的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料,室温禁带宽度为3.4eV,是一种很有前途的短波长光电子材料,具有耐高温、耐腐蚀、饱和速率大、热导性好等特点,使GaN材料和GaN基器件具有广阔的应用潜力和良好的市场前景。本论文以多晶GaAs为靶材料,在活性ECR氮等离子体环境中用脉冲激光烧蚀多晶GaAs靶,用ECR氮等离子体辅助的脉冲激光沉积方法在低温下合成制备了GaN薄膜。高能离子背散射（HEIBS）谱,X射线光电子（XPS）谱,傅立叶变换红外光（FTIR）谱和可见波段透射谱等表征分析方法都从不同角度证实我们使用ECR-PLD的方法制备得到了高纯度的GaN薄膜。稀土（rare earth,RE）元素由于其独特的光学性质而具有许多重要的光电子学应用,包括制作光通讯元件、光存储和光显示、固体激光器等器件的材料。Ⅲ族氮化物半导体由于宽的直接能隙和高的光学激活等特性,是稀土掺杂的理想的基质材料。从材料制备上看,目前较多的尝试是采用稀土注入和薄膜生长过程中的原位掺杂,包括分子束外延、液相外延和金属有机化学气相沉积等。尽管它们都有独到之处,但存在或容易造成基质材料的损伤与注入不均匀的问题,或不易提高掺杂浓度等问题。本论文采用ECR等离子体辅助的双激光双靶共烧蚀方法进行基质GaN膜层的沉积和稀土元素的原位掺杂,在保障均匀掺杂的基础上,有效控制样品的掺杂浓度和均匀性。在ECR-PLD制备GaN薄膜的基础上,用另一束激光烧蚀稀土元素靶材（铒,镨）,实现化合物薄膜和原位掺杂的同步实现。Si衬底和GaN系列薄膜存在衬底和膜层间晶格失配和热失配的问题,合适的缓冲层是解决这类问题的途径之一,本论文尝试用双激光双靶PLD的方法制备了SiC薄膜和用ECR-PLD方法制备了AlN薄膜,作为Si衬底上GaN薄膜的缓冲层材料。经过表征分析,选择了与GaN同为Ⅲ族氮化物的AlN作为缓冲层材料进行AlN缓冲层上GaN薄膜的制备,并初步研究了缓冲层对GaN薄膜的影响。后期热退火是改善薄膜特性的常用方法,我们对制备得到的GaN系列薄膜进行了相关热退火操作并初步研究了热退火对薄膜特性的影响。本论文通过几种薄膜材料的制备,辅以缓冲层材料和后期热退火处理,一方面探索了将激光和ECR等离子体结合起来在材料制备上的应用,也对备受关注的GaN系列材料的特性进行了相关研究。
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标签：氮化镓论文; 稀土掺杂氮化镓论文; 缓冲层论文; 脉冲激光烧蚀论文; 电子回旋共振微波放电论文; 等离子体辅助沉积论文;