不同退火条件对PEALD制备的Ga2O3薄膜特性的影响

利用等离子增强原子层沉积技术(PEALD)在c面蓝宝石衬底上制备了氧化镓(Ga₂O₃)薄膜,研究了退火气氛(v(N₂)∶v(O₂)=1∶1(体积比)、空气和N₂)及退火时间对Ga₂O₃薄膜晶体结构、表面形貌和光学性质的影响。研究结果表明,退火前的氧化镓处于亚稳态,不同退火气氛下退火后晶体结构发生明显改变,而且退火气氛中N₂比例增加有利于Ga₂O₃重结晶。在N₂气氛下退火达到30 min,薄膜结构已由亚稳态转变成择优取向的β-Ga₂O₃。而且表面形貌分析表明,退火30 min后表面形貌开始趋于稳定,表面晶粒密度不再增加。另外实验样品在 400~800 nm的平均透射率几乎是100%,且光吸收边陡峭。采用N₂气氛退火,对于富氧环境下沉积的Ga₂O₃更利于薄膜表面原子迁移,以及择优取向Ga₂O₃重结晶。     

后退火气氛对磁控溅射制备β-Ga2O3薄膜材料的影响

近年来,宽禁带半导体材料β-Ga₂O₃越来越多地受到关注,在材料制备、掺杂、刻蚀等方面都有广泛研究。射频磁控溅射是常用的β-Ga₂O₃薄膜制备方法之一,后退火处理往往是提高薄膜质量的关键工艺步骤。本文研究后退火工艺中退火温度和退火气氛对射频磁控溅射在C面蓝宝石基底上制备得到的β-Ga₂O₃薄膜材料的影响。X射线衍射和原子力显微镜表征结果表明:在氮气气氛下退火,退火温度为1 000 ℃时得到的β-Ga₂O₃薄膜质量较优;相同的温度下,氧气气氛退火比氮气气氛退火更有利于提升薄膜的结晶性能、降低表面粗糙度;在氧气气氛下,1 000 ℃退火得到的薄膜质量相对比900 ℃退火得到的薄膜质量好。     

SiC衬底上β-Ga2O3薄膜生长及p-SiC/n-β-Ga2O3异质结光伏特性

本文采用脉冲激光沉积(PLD)技术在p型4H-SiC衬底上,制备出沿(403)择优生长的β-Ga₂O₃薄膜。结果表明,衬底生长温度对β-Ga₂O₃薄膜的形貌、结构、组分,以及生长机理都有重要影响。当生长温度由300 ℃升高至500 ℃时,薄膜结晶质量随生长温度升高而提高,当温度进一步升高到600 ℃时,薄膜结晶质量变差,这是由于在相对低温(500 ℃以下)阶段,生长温度越高,沉积在衬底上原子的动能越大,越容易迁移,使得β-Ga₂O₃薄膜主要按照二维生长模式进行生长,薄膜结晶质量提高,表现为随着生长温度升高,粗糙度降低。但当温度上升到600 ℃时,由于4H-SiC衬底和β-Ga₂O₃薄膜之间的热膨胀系数存在差异,导致薄膜生长由主要以二维生长模式向三维岛状演变。基于p-4H-SiC/n-β-Ga₂O₃构筑的异质结太阳电池,其标准测试条件下光电转换效率达到3.43%。     

超宽禁带半导体β-Ga2O3相关研究进展

氧化镓(β-Ga₂O₃)是一种超宽禁带氧化物半导体材料,其相关研究起源于日本。21世纪初,日本东北大学利用浮区法获得了多晶向的高质量β-Ga₂O₃单晶晶圆,京都大学开展了β-Ga₂O₃薄膜外延研究并获得了高质量的同质外延片。在此基础上,日本信息通信研究机构于2012年构建了第一个β-Ga₂O₃金属半导体场效应晶体管(MESFET),证明了β-Ga₂O₃在功率器件领域拥有巨大潜能,开启了β-Ga₂O₃研发的新纪元。此后,国际上众多机构加入了β-Ga₂O₃单晶、外延、器件的研发潮流。随着研发工艺的进步,β-Ga₂O₃基功率器件的耐压上限一次次被刷新。本文梳理了β-Ga₂O₃单晶、外延、器件发展的时间线,汇总分析了β-Ga₂O₃功率器件的研究现状,指出存在的问题和可能的解决方案,并对其未来进行了展望,期望为以后的技术发展提供参考。     

雾化辅助化学气相沉积法氧化镓薄膜生长研究

采用自主设计搭建的雾化辅助化学气相沉积系统设备,开展了Ga₂O₃薄膜制备及其特性研究工作。通过X射线衍射研究了沉积温度、系统沉积压差对Ga₂O₃薄膜结晶质量的影响。结果表明,Ga₂O₃在425~650 ℃温度区间存在物相转换关系。随着沉积温度从425 ℃升高至650 ℃,薄膜结晶分别由非晶态、纯α-Ga₂O₃结晶状态向α-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃两相混合结晶状态改变。通过原子力显微镜表征探究了生长温度对Ga₂O₃薄膜表面形貌的影响,从475 ℃升高至650 ℃时,薄膜表面粗糙度由26.8 nm下降至24.8 nm。同时,高分辨X射线衍射仪测试表明475 ℃、5 Pa压差条件下的α-Ga₂O₃薄膜样品半峰全宽仅为190.8″,为高度结晶态的单晶α-Ga₂O₃薄膜材料。     

切割角蓝宝石基氧化镓薄膜MOCVD外延及日盲紫外光电探测器制备

本文使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在不同切割角的c面蓝宝石衬底上外延氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶薄膜，揭示了衬底切割角对外延薄膜晶体质量的影响规律。研究表明，当衬底切割角为6°时，β-Ga₂O₃外延膜具有较小的X射线摇摆曲线半峰全宽(1.10°)和最小的表面粗糙度(7.7 nm)。在此基础上，采用光刻、显影、电子束蒸发及剥离工艺制备了金属-半导体-金属结构的日盲紫外光电探测器，器件的光暗电流比为6.2×10⁶,248 nm处的峰值响应度为87.12 A/W,比探测率为3.5×10¹⁵ Jones,带外抑制比为2.36×10⁴,响应时间为226.2μs。     

高温扩散工艺制备带隙可调的β-(AlxGa1-x)2O3薄膜

β-(Al_xGa_1-x)₂O₃因其优异的抗击穿及带隙可调节性在现代功率器件及深紫外光电探测等领域展现出巨大的应用前景，然而传统直接生长工艺的复杂性和难度限制了其进一步的发展。因此，本文采用较为简单的高温扩散工艺在c面蓝宝石衬底上成功制备了β-(Al_xGa_1-x)₂O₃纳米薄膜。利用X射线衍射、原子力显微镜、扫描电子显微镜和紫外-可见分光光度计对其进行了表征。由于高温下蓝宝石衬底中的Al原子向Ga₂O₃层扩散，β-Ga₂O₃薄膜将转变为Al、Ga原子比例不同的β-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜。实验结果显示：当退火温度从1 010℃增加到1 250℃时，薄膜中Al的平均含量从0.033增加到0.371;当退火温度从950℃增加到1 250℃时...     

高质量氧化镓单晶及肖特基二极管的制备

本文采用导模法生长技术,成功制备了高质量掺Si氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶,掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3.晶体呈现淡蓝色,通过劳厄衍射、阴极荧光(CL)及拉曼测试对晶体的基本性质进行了表征,结果表明晶体质量良好.紫外透过光谱证明该晶体的禁带宽度约为4.71 eV.此外,在剥离衬底上,采用电子束蒸发、光刻和显影技术制备了垂直结构的肖特基二极管,平均击穿场强EAva为2.1 MV/cm,导通电阻3 mΩ·cm²,展示了优异性能.     

Ni掺杂β-Ga2O3单晶的光、电特性研究

本文使用导模(EFG)法生长了Ni掺杂β-Ga₂O₃单晶，并通过粉末X射线衍射(PXRD)和劳厄衍射(Laue diffraction)分别验证了其晶体结构和晶体质量。进一步通过紫外-可见-近红外透过光谱及红外透过光谱研究了Ni²⁺掺杂对β-Ga₂O₃光学特性的影响，发现其(100)面的紫外截止边为252.9 nm,对应的光学带隙为4.74 eV。此外，阴极荧光(CL)光谱测试结果显示，Ni²⁺掺杂β-Ga₂O₃单晶在600～800 nm具有宽带近红外发光特性，有望拓宽β-Ga₂O₃单晶材料在宽带近红外方面的应用。     

Mg,N掺杂β-Ga2O3光电性质的第一性原理计算

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mg单掺杂、N单掺杂和不同浓度的Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃的结构性质、电子性质和光学性质,以期获得性能比较优异的p型β-Ga₂O₃材料。建立了五种模型:Mg单掺杂、N单掺杂、1个Mg-N共掺杂、2个Mg-N共掺杂和3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃。经过计算,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的结构最稳定。此外,在5种模型中,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的禁带宽度是最小的,并且N 2p和Mg 3s贡献的占据态抑制了氧空位的形成,从而增加了空穴浓度。因此,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系表现出优异的p型性质。3个Mg-N共掺杂体系的吸收峰出现明显红移,在太阳盲区的光吸收系数较大,这归因于导带Ga 4s、Ga 4p、Mg 3s向价带O 2p、N 2p的带间电子跃迁。本工作将为p型β-Ga₂O₃日盲光电材料的研究和应用提供理论指导。     

生长气压对分子束外延β-Ga2O3薄膜特性的影响

本文采用分子束外延技术在具有6°斜切角的c面蓝宝石衬底上外延β-Ga₂O₃薄膜,系统研究了生长气压对薄膜特性的影响。X射线衍射谱和表面形貌分析表明,不同生长气压下所外延的薄膜表面平整,均具有(201)择优取向。并且,其结晶质量和生长速率均随生长气压增大而逐渐提高。通过X射线光电子能谱分析发现,生长气压增大使得氧空位的浓度大幅下降,高价态Ga比例增大,最终使得O/Ga原子数之比接近理想Ga₂O₃材料的化学计量比值。利用Tauc公式和乌尔巴赫带尾模型进行计算,结果表明随着生长气压的增大,样品的光学带隙由4.94 eV增加到5.00 eV,乌尔巴赫能量由0.47 eV下降到0.32 eV,证明了生长气压的增大有利于降低薄膜中的缺陷密度,提高薄膜晶体质量。     

(AlxGa1-x)2O3结构、电子和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同Al掺杂浓度β-Ga₂O₃(即(Al_xGa_1-x)₂O₃)的晶体结构、电荷密度分布、能带结构、态密度和光学性质，并对本征β-Ga₂O₃和不同Al掺杂浓度的β-Ga₂O₃的计算结果进行了分析对比。结果表明，随着Al掺杂浓度的增加，(Al_xGa_1-x)₂O₃的晶格常数和键长均单调减小，而带隙逐渐增大。β-Ga₂O₃导带底上方存在主要由Ga 4s和Al 3p轨道组成的中间带，Al掺杂在此中间带引入杂质能级，从而导致带隙增加。同时，Al的引入使态密度向高能侧偏移了近3 eV,也导致了带隙的增加。根据光学性质的计算结果，在掺杂Al后，介电函数的虚部和吸收系数均观察到明显的蓝移现象。这是由价带顶中的O 2p...     

基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延

宽禁带半导体具备禁带宽度大、电子饱和飘移速度高、击穿场强大等优势,是制备高功率密度、高频率、低损耗电子器件的理想材料。碳化硅(SiC)材料具有热导率高、化学稳定性好、耐高温等优点,在SiC衬底上外延宽禁带半导体材料,对充分发挥宽禁带半导体材料的优势,并提升宽禁带半导体电子器件的性能具有重要意义。得益于SiC衬底质量持续提升及成本不断降低,基于SiC衬底的宽禁带半导体电子市场占比呈现逐年增加的态势。在SiC衬底上外延生长高质量的宽禁带半导体材料是提高宽禁带半导体电子器件性能及可靠性的关键瓶颈。本文综述了近年来国内外研究者们在SiC衬底上外延SiC、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga₂O₃)所取得的研究进展,并展望了SiC衬底上宽禁带半导体外延的发展及应用前景。     

不同退火温度对钡铁氧体薄膜磁性的影响

M型钡铁氧体(BaFe₁₂O₁₉, BaM)是一种单轴磁晶各向异性的六角晶系硬磁材料,由于其具有很强的各向异性场,因此在自偏置微波器件领域具有广阔的应用前景。本文采用常温射频磁控溅射法在(000l)取向的蓝宝石衬底上沉积了厚度约为130 nm的BaFe₁₂O₁₉非晶薄膜,然后分别在850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃对其空气退火处理3 h,得到BaM晶体薄膜样品。采用X射线衍射仪对薄膜样品进行物相及晶体生长取向鉴别,采用扫描探针显微镜和扫描电子显微镜对薄膜样品的粗糙度和表面形貌进行测量和观察,采用振动样品磁强计对样品进行了静态磁性能测试。实验结果表明,退火后的薄膜样品的主晶相为BaM,且具有(000l)取向择优生长,其微观组织结构都表现为C轴垂直于膜面的颗粒状结构。退火温度为900 ℃时所得样品的各项性能达到最佳,其表面粗糙度为2.8 nm,矩形比为0.84,饱和磁化强度为247 emu/cm³,矫顽力为1 528 Oe。     

Eu3+离子注入β-Ga2O3单晶的应力变化和发光性质研究

采用离子注入法制备了不同剂量的β-Ga₂O₃:Eu³⁺样品,并在空气中进行了退火处理,成功实现了Eu³⁺的光学激活。通过拉曼和X射线衍射表征了β-Ga₂O₃晶体随Eu³⁺注入剂量的应力变化趋势,发现随着Eu³⁺剂量的增加,晶格应力先增加后减少,并对其内在机理进行了分析。利用阴极荧光光谱对晶体的发光性质进行了表征,主要观察到峰值位于380 nm附近、宽的缺陷发光峰以及峰值位于591 nm、597 nm和613 nm的Eu³⁺发光峰。通过高斯拟合发现,该380 nm发光峰主要由360 nm、398 nm和442 nm三个子峰构成,分别与自陷激子和施主-受主对有关。此外,Eu³⁺发光峰位置与强度受到基质局域晶体场的影响。     

溅射温度对ITO/Ag/ITO多层复合薄膜的结构和光电性能的影响

本文采用直流磁控溅射分层溅射制备了氧化铟锡(ITO)/银(Ag)/ITO多层复合薄膜。系统研究了溅射温度对ITO/Ag/ITO多层复合薄膜的结构和光电性能影响。采用ITO(m(In₂O₃)∶m(SnO₂)=9∶1;直径60 mm)靶材和Ag(纯度99.999%;直径60 mm)靶材分层溅射,使ITO薄膜和Ag薄膜依次沉积在钠-钙玻璃基片上。结果表明,溅射温度对该薄膜的形貌和结构具有显著的影响。在中间Ag薄膜和顶层ITO薄膜的溅射温度均为120 ℃时,薄膜表面晶粒形貌由类球形转变为菱形,此时薄膜方阻为3.68 Ω/Sq,在488 nm处透射率为88.98%,且品质因数为0.03 Ω^-1,实现了低方阻高可见光透射率ITO/Ag/ITO多层复合薄膜的制备。     

射频磁控溅射法制备MoS2薄膜的最佳工艺参数研究(英文)

采用射频(RF)磁控溅射法在石英衬底上制备了MoS₂薄膜。通过正交试验研究了溅射时间、溅射温度、氩气流量和溅射功率对MoS₂薄膜结构的影响。通过XRD、Raman、XPS、EDS和SEM对MoS₂薄膜的结晶度、薄膜厚度和表面形貌进行分析，得到了制备MoS₂薄膜的最佳工艺参数。发现溅射温度较高或较低结晶度都很差，在较低的溅射温度下样品的XRD衍射峰不明显。而当温度为250℃时，样品的XRD衍射峰较多，结晶度较好。根据正交试验法得出溅射温度对MoS₂的结晶效果起着至关重要的作用，其次是氩气流量。当溅射温度为250℃,氩气流量为6 mL/min,溅射时间为30 min,溅射功率为300 W或400 W时，MoS₂膜的结晶度较好。在这个条件下制备的膜较厚，但为以后的实验指明了方向。保持溅射温度、溅射功率和氩气流量不变，通过减少时间成功制备了厚度为58.9 nm的薄膜。     

ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结电子输运性质研究

Ga₂O₃是一种新兴的宽带隙半导体,在电力和射频电子系统中具有潜在的应用前景。前期研究以β-Ga₂O₃为主,并且已经对β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃异质结构中的二维电子气(2DEG)进行了理论计算,本文主要研究ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃作为势垒层对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结电子输运性质的影响,首先介绍了ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的结构和性质,分析计算了由于ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的自发极化和压电极化所产生的极化面电荷密度,以及极化对2DEG浓度产生的影响,接着分析了在不同Al摩尔组分下,ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层厚度与合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射之间的关系。最后通过计算得出结论:界面粗糙度散射和极性光学声子散射对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的电子输运性质有重要影响,合金无序散射对异质结的输运性质影响较小;2DEG浓度、合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射的电子迁移率强弱由ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层的厚度和Al摩尔组分共同决定。     

低温热处理温度对SiC衬底上CuAlO2薄膜特性的影响

为了解决双极型碳化硅(SiC)功率器件中由于p型SiC在室温下难以完全电离所导致的p+n发射结注入效率低的问题,提出将p型CuAlO₂与n型SiC形成的异质结作为发射结以提高该结的注入效率。本文利用溶胶凝胶(sol-gel)方法,在4H-SiC衬底上制备了CuAlO₂薄膜,研究了低温热处理温度对CuAlO₂薄膜晶体结构、表面形貌、光学特性的影响。结果表明:较高的热处理温度可以促进中间产物CuO的生成,进而在固相反应阶段促进CuAlO₂相的产生,最终制备的CuAlO₂薄膜主要以CuAlO₂相的(012)晶向择优取向。随着低温热处理温度的升高,薄膜的表面均匀致密,空位缺陷含量降低,结晶质量提高。当低温热处理温度为300 ℃时,CuAlO₂薄膜晶粒尺寸约为35 nm。此外,CuAlO₂薄膜在可见光范围内的透过率超过70%,且随着预处理温度升高,薄膜光学带隙略有增加。     

氩气退火时间对Fe(Se,Te)薄膜的性能影响研究

作为一种铁基超导薄膜,Fe(Se,Te)薄膜具有晶体结构简单、所包含的元素较少、易于合成的特点,不仅有利于超导机理研究而且有着潜在的技术应用价值。本文通过磁控溅射在温度为320 ℃的CaF₂单晶衬底上制备了Fe(Se,Te)薄膜,并在氩气氛围下进行了退火处理。研究了退火时间对Fe(Se,Te)薄膜的晶体结构、微观形貌、成分组成以及电输运特性的影响。结果表明:Fe(Se,Te)薄膜的结晶性较好,退火有助于消除薄膜样品中的FeSe相,薄膜的晶格常数c对退火不敏感,退火后薄膜晶粒尺寸变大;Fe(Se,Te)薄膜成分与靶材的名义组分存在一定的偏差,退火时间越长,Fe(Se,Te)薄膜表面的颗粒越密集;Fe(Se,Te)薄膜的电阻随温度升高而减小,呈现出半导体特性,退火3 h后电阻明显增大。