Si基磁控溅射Ga2O3/Al膜制备GaN一维纳米结构的研究

论文摘要

由于纳米半导体表现出的超出常规的性质,因此各种半导体材料的纳米结构成了人们研究的热点。纳米线、纳米带和纳米棒作为新颖的一维量子材料越来越多引起了人们的研究兴趣。2001年《科学》杂志宣布基于半导体纳米线的纳米电路是人类科学的一个重大突破。最近《自然》杂志上一篇报道称“无论如何,纳米线、纳米棒和纳米晶须都是纳米科技中的研究热点”。毫无疑问基于纳米结构的一维量子材料将是未来十年内科研的新的立足点。由于在蓝光发光管和高功率电子器件方面的广泛应用,GaN是一种很重要的宽禁带半导体材料。随着目前纳米科技的迅猛发展,人们进行了很多研究来合成用于制备纳米器件GaN一维纳米结构,如纳米线和纳米带等。GaN是一种直接带隙的半导体,在短波长器件领域有不可替代的作用。GaN及其相关的固熔体可以实现带隙从1.9eV到6.2eV的连续可调,是制作短波长半导体激光器的理想材料。目前,GaN基近紫外、蓝光和绿光发光二极管已经产业化,激光器和光探测器的研究也方兴未艾。由于禁带较宽,GaN激光器具有较短的波长,用于激光存储将大大提高存储密度。另外,GaN基的高亮度白光发光二极管,具有低能耗、高效率、寿命长、价格低廉的特点,是真正的冷光源,有望在将来取代传统的白炽灯,成为主要的照明工具,它将使人类的生活发生巨大的变革。由于优良的性质及巨大的应用价值,GaN被誉为第三代半导体的典型代表。近年来,GaN一维纳米结构,具有许多新奇的物理特性,在一维器件系统方面具有极大的潜在应用价值,因此GaN的一维纳米结构的研究成为当前研究GaN纳米材料最活跃的领域之一,我们的研究是基于Si材料的GaN一维纳米结构。Si是一类极普通且具有发展潜力的衬底材料,价格便宜,易于获得大尺寸材料和制作电极,更重要的是在Si上生长的GaN及其器件便于和硅基大规模电路的集成。但目前在Si上生长GaN材料存在以下的几个主要问题:1)晶格失配和热膨胀系数失配。2)两者之间存在浸润性上的差异。3)在生长过程中容易形成Si3N4。因此很难直接在Si衬底上制备出质量较高的GaN单晶。在本论文中,我们使用了活泼金属Al作为缓冲层,采用溅射氨化两个过程在Si衬底上来生长GaN低维纳米结构材料。同时作为替代蓝宝石衬底材料的探索,在氧化处理后的Al缓冲层上也制备了GaN纳米结构。详细的描述了上述纳米结构的制备过程,探索了制备条件和工艺参数对GaN纳米结构结晶质量和表面形貌的影响,最终找出了利用该方法制备GaN纳米结构的最佳生长参数。根据GaN材料的低维纳米结构的在不同生长条件下的表面形貌和结晶性能,研究了GaN纳米结构材料的生长机制。对本论文的内容可以作如下的概括:1.采用射频磁控溅射法在Al/Si膜和经过氧化处理的Al/ Si膜上分别沉积Ga2O3薄膜,然后通过薄膜样品的氨化反应获得GaN的低维纳米结构材料。Al薄膜和氧化处理成的α-Al2O3作为中间层,我们发现,在同样的Ga2O3薄膜厚度、氨化温度和氨化时间下,中间层的存在对Si衬底上的GaN低维纳米结构的密度、结晶质量以及表面平滑性能均有较大的提高作用。2.通过对相同的氨化时间和氨化温度下的样品对比,认为生长GaN纳米结构结晶质量最好的的Al缓冲层厚度约为20nm,小于或大于该厚度,均不利于纳米结构的形成,且不容易形成表面光滑的GaN纳米结构,而氧化成α-Al2O3的Al膜生长GaN的最佳厚度为则300nm.3.在最佳的温度、厚度和氨化时间条件下,得到了表面较平滑的GaN纳米线,直径大约在50nm,用XRD测试分析,该纳米线为六方相的GaN晶体,进一步对其选区电子衍射（SAED）分析,得到纳米线为单晶结构;高分辨电镜（HREM）分析显示纳米线的生长取向为[100]方向,纳米线轴向与[100]方向成50°。4.不同氨化时间下纳米线的形态不同,随氨化时间的延长,在Al缓冲层和经过氧化处理的Al缓冲层表面的纳米结构大致经历了:大的颗粒分布----粗棒的聚集----细线的团聚---平直柱状的变化过程。我们初步探讨了纳米线生长的机理。对不同条件下得到的形态不一的纳米线进行了测试表征。5.用氨化的方法对制备AlN薄膜进行了初步的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 GaN 纳米材料的研究意义
• 1.2 GaN 的性质
• 1.3 纳米半导体材料
• 1.4 一维 GaN 纳米材料研究进展
• 1.5 本论文的选题依据
• 第二章 实验设备和测试
• 2.1 实验中所需要的主要材料和试剂
• 2.2 实验设备
• 2.3 测试表征手段
• 2O₃/AL 膜制备GAN 纳米结构的研究'>第三章 磁控溅射氨化GA₂O₃/AL 膜制备GAN 纳米结构的研究
• 3.1 实验样品的制备
• 3.2 样品的结构和成分分析
• 3.3 不同实验条件对 GaN 纳米结构表面的影响
• 3.4 HRTEM 分析
• 3.5 发光特性研究
• 3.6 GaN 纳米线的生长机制
• 2O₃膜制备GAN 低维纳米结构材料'>第四章 在氧化的AL 膜上氨化磁控溅射GA₂O₃膜制备GAN 低维纳米结构材料
• 4.1 实验样品的制备
• 4.2 氨化温度对 GaN 纳米结构形貌的影响
• 4.3 氨化反应时间对 GaN 纳米结构形貌的影响
• 4.4 不同厚度缓冲层上生长的纳米结构
• 4.5 纳米结构的形成机制研究
• 4.6 结论
• 第五章 SI 基磁控溅射AL 薄膜氨化法制备ALN 研究
• 5.1 AlN 薄膜的性质
• 5.2 AlN 薄膜的制备工艺
• 5.3 实验样品的制备
• 5.4 样品的XRD 分析
• 5.5 XPS 分析
• 5.6 SEM 分析
• 5.7 结论
• 第六章 结论
• 5.1 本论文的主要研究内容及成果
• 5.2 对今后工作的建议
• 参考文献
• 论文作者在学期间发表的学术论文目录
• 致谢