基于ECR-PEMOCVD技术在蓝宝石衬底上高C轴择优的InN薄膜的制备及表征

论文摘要

氮化铟（InN）是InGaN合金的重要组成部分,InN使制造InGaAIN基的短波长半导体激光二极管成为可能,因此引起了广泛的关注。与其它III族氮化物氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）相比较,InN的生长和特性数据显然很不够。InN具有很多优良的电学特性,在Ⅲ族氮化物中,InN具有最小的有效电子质量,最高饱和电子速度,因此非常适合做高速率以及高频率的电子器件,同时InN还被认为在探测器和太阳能器件方面具有优良的特性。目前InN薄膜可以通过不同方法来制备,常见的有：金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）、脉冲激光沉积（PLD）和溅射（Sputting）等。然而通过电子回旋共振-等离子体增强MOCVD （ECR-PEMOCVD）设备生长InN薄膜的研究很少。由于ECR等离子体源可以提供高密度、高激发态、高离化度的活性等离子体,故生长温度降低到600℃以下,实现了低温生长。ECR-PEMOCVD适合低温外延生长氮化铟,氮化镓,氮化铝等薄膜。此外,高活性的等离子体和低离子损伤是衬底表面预处理必不可少的条件。本文在自行研制的ECR-PEMOCVD设备上,以氮等离子体为氮源,三甲基铟（TMIn）为铟源,用蓝宝石（α-Al2O3）作衬底。实验过程中优化了氮气流量,生长温度等工艺参数。实验后,InN薄膜的结构特性采用高能电子衍射图（RHEED）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）表征,表面形貌用原子力显微镜（AFM）分析,电学特性通过室温霍尔（Hall）测量对薄膜进行表征。实验结果表明,通过优化的工艺参数,在α-Al2O3衬底上实现了低温沉积高度c轴择优取向结晶质量良好的InN薄膜。结果暗示了ECR-PEMOCVD是一种很有前景的低温沉积高质量InN薄膜的设备。

论文目录

• 基金资助
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 InN材料的基本性质
• 1.2.1 InN材料的晶体结构
• 1.2.2 InN材料的电学性质
• 1.2.3 InN材料的光学性质
• 1.3 InN薄膜的生长技术
• 1.3.1 生长方法
• 1.4 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技术基本原理及特点
• 2.1.2 ECR-PEMOCVD生长系统的总体结构
• 2.2 表征方法
• 2.2.1 反射高能电子衍射（RHEED）
• 2.2.2 X射线衍射（XRD）
• 2.2.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.4 拉曼散射光谱（UV Raman）
• 2.2.5 霍尔效应（Hall）
• 2.2.6 X射线光电子能谱（XPS）
• 3 InN薄膜的生长概述
• 3.1. 薄膜的生长理论
• 3.1.1 薄膜成核过程
• 3.1.2 岛形成与生长过程
• 3.1.3 温度对薄膜的影响
• 3.2 InN衬底材料的选择
• 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薄膜的沉积
• 2流量下InN薄膜的性能分析'>4.2 不同N₂流量下InN薄膜的性能分析
• 4.2.1 RHEED分析
• 4.2.2 XRD分析
• 4.2.3 XPS谱分析
• 4.2.4 AFM分析
• 4.2.5 霍尔测试分析
• 4.2.6 小结
• 4.3 不同沉积温度对InN薄膜的性能分析
• 4.3.1 RHEED分析
• 4.3.2 XRD分析
• 4.3.3 Raman分析
• 4.3.4 AFM分析
• 4.3.5 Hall测试分析
• 4.3.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢