金属有机物化学气相沉积同质外延GaN薄膜表面形貌的改善

为了获得高质量的GaN薄膜材料,研究了金属有机物气相沉积系统中GaN插入层对GaN衬底同质外延层表面宏观缺陷和晶体质量的影响.研究发现,插入层生长温度是影响GaN同质外延膜表面形貌和晶体质量的关键因素.由于生长模式与插入层生长温度相关,随着插入层生长温度的降低,外延膜生长模式由准台阶流模式转变为层状模式,GaN同质外延膜表面丘壑状宏观缺陷逐渐减少,但微观位错密度逐渐增大.通过对插入层温度和厚度的优化,进一步调控外延层的生长模式,最终有效降低了外延层表面的宏观缺陷,获得了表面原子级光滑平整、位错密度极低的GaN同质外延膜,其X射线衍射摇摆曲线(002),(102)晶面半峰宽分别为125arcsec和85arcsec,表面粗糙度均方根大小为0.23nm.     

使用SiNx原位淀积方法生长的GaN外延膜中的应力研究

采用低压MOCVD系统,在生长过程中使用SiNx原位淀积的方法产生纳米掩模,并在纳米掩模上进行选区生长和侧向外延制备了GaN外延薄膜.使用拉曼光谱和光荧光的手段对GaN外延膜中的残余应力进行了研究.研究发现,用SiNx原位淀积出纳米掩模后,GaN生长将由二维向三维转变,直到完全合并为止.利用拉曼光谱和光荧光谱分别研究了薄膜中的残余应力,两者符合得很好;这种方法生长出的GaN薄膜的应力分布较传统的侧向外延更加均匀;并且从中发现随着生长过程中SiNx原位淀积时间的增加,生长在其上的GaN外延膜中的残余应力减小.这是因为,随着SiNx原位淀积时间的增加,SiNx纳米掩模的覆盖度也增大.因此侧向外延区的比例增大,残余应力随之减小.     

AlN插入层对硅衬底GaN薄膜生长的影响

利用金属有机化合物气相外延沉积技术在2inch(5.08cm)Si(111)图形衬底上生长了GaN外延薄膜,在Al组分渐变AlGaN缓冲层与GaN成核层之间引入了AlN插入层,研究了AlN插入层对GaN薄膜生长的影响。结果表明,随着AlN插入层厚度的增加,GaN外延膜(002)面与(102)面X射线衍射摇摆曲线半峰全宽明显变小,晶体质量变好,同时外延膜在放置过程中所产生的裂纹密度逐渐减小直至不产生裂纹。原因在于AlN插入层的厚度对GaN成核层的生长模式有明显影响,较厚的AlN插入层使GaN成核层倾向于岛状生长,造成后续生长的nGaN外延膜具有更多的侧向外延成分,从而降低了GaN外延膜中的位错密度,减少了GaN外延膜中的残余张应力。同时还提出了一种利用荧光显微镜观察黄带发光形貌来表征GaN成核层形貌和生长模式的新方法。     

SiN插入层对GaN外延膜应力和光学质量的影响

研究了MOCVD系统中原位SiN插入层对GaN薄膜应力和光学性质的影响。采用SiN插入层后,GaN薄膜的裂纹数量大大减少,薄膜所承受的张应力得到了一定的释放。同时,GaN薄膜的缺陷密度降低一倍,晶体质量得到了极大的改善。研究表明,位错密度的降低在GaN薄膜中留存较大的残余应力,补偿了降温过程中所引入的张应力。同样,随着SiN插入层的应用,低温PL谱的半峰宽降低,薄膜光学质量提高。最后研究了PL谱发光峰与应力的关系,得到了一个-13.8的线性系数。     

蓝宝石衬底上GaN/AlxGa1-xN超晶格插入层对AlxGa1-xN外延薄膜应变及缺陷密度的影响

室温300K下,由于Al_xGa_1-xN的带隙宽度可以从GaN的3.42eV到AlN的6.2eV之间变化,所以Al_xGa_1-xN是紫外光探测器和深紫外LED所必需的外延材料.高质量高铝组分Al_xGa_1-xN材料生长的一大困难就是Al_xGa_1-xN与常用的蓝宝石衬底之间大的晶格失配和热失配.因而采用MOCVD在GaN/蓝宝石上生长的Al_xGa_1-xN薄膜由于受张应力作用非常容易发生龟裂.GaN/Al_xGa_1-xN超晶格插入层技术是释放应力和减少Al_xGa_1-xN薄膜中缺陷的有效方法.研究了GaN/Al_xGa_1-xN超晶格插入层对GaN/蓝宝石上Al_xGa_1-xN外延薄膜应变状态和缺陷密度的影响.通过拉曼散射探测声子频率从而得到材料中的残余应力是一种简便常用的方法,Al_xGa_1-xN外延薄膜的应变状态可通过拉曼光谱测量得到.Al_xGa_1-xN外延薄膜的缺陷密度通过测量X射线衍射得到.对于具有相同阱垒厚度的超晶格,例如4nm/4nm,5nm/5nm,8nm/8nm的GaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格,研究发现随着超晶格周期厚度的增加Al_xGa_1-xN外延薄膜缺陷密度降低,Al_xGa_1-xN外延薄膜处于张应变状态,且5nm/5nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层Al_xGa_1-xN外延薄膜的张应变最小.在保持5nm阱宽不变的情况下,将垒宽增大到8nm,即十个周期的5nm/8nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层使Al_xGa_1-xN外延层应变状态由张应变变为压应变.由X射线衍射结果计算了Al_xGa_1-xN外延薄膜的刃型位错和螺型位错密度,结果表明超晶格插入层对螺型位错和刃型位错都有一定的抑制效果.透射电镜图像表明超晶格插入层使位错发生合并、转向或是使位错终止,且5nm/8nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层导致Al_xGa_1-xN外延薄膜中的刃型位错倾斜30°左右,释放一部分压应变.     

分子束外延GaN薄膜的X射线光电子能谱和俄歇电子能谱研究

用XPS和AES电子能谱的方法对等离子体辅助分子束外延(MBE)生长的GaN薄膜进行了表面分析和深度剖析.发现红外分子束外延(RFMBE)生长的富镓GaN薄膜实际表面存在O和C吸附层,C主要为物理吸附,而O在GaN表面形成局域化学键产生氧络合物覆盖层,并形成一定的深度分布.杂质O在GaN带隙中导带底形成杂质带同时引入深受主能级,使得带隙变窄室温光吸收谱向低能方向移动,光致发光谱出现宽带发光峰.从而影响GaN薄膜的电学和光学性质 关键词： GaN薄膜 X射线光电子能谱 俄歇电子能谱 表面分析     

界面形核时间对GaN薄膜晶体质量的影响

利用金属有机化学气相沉积技术系统研究了界面形核时间对c面蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜晶体质量的影响机理. 用原子力显微镜、扫描电子显微镜、高分辨X射线衍射仪以及光致发光光谱仪表征材料的晶体质量以及光学性质. 随着形核时间的延长, 退火后形成的形核岛密度减小、尺寸增大、均匀性变差, 使得形核岛合并过程中产生的界面数量先减小后增大, 导致GaN外延层的螺位错和刃位错密度先减小后增大, 这与室温光致发光光谱中得到的带边发光峰与黄带发光峰的比值先增大后降低一致. 研究结果表明, 外延生长过程中, 界面形核时间会对GaN薄膜中的位错演变施加巨大影响, 从而导致GaN外延层的晶体质量以及光学性质的差异.     

位错形态与GaN外延薄膜电阻率之间的关系

利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）,通过改变生长过程中成核层退火阶段的反应室压力,在蓝宝石衬底上制得了不同阻值的GaN外延薄膜。利用原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）对所生长的GaN薄膜的表面形貌、位错密度和位错形态进行了研究。结果表明,GaN的电阻率与位错形态之间存在密切联系,由此建立了模型来解释两者之间的关系。由于刃型位错附近存在负电荷,因此可为电子提供传导通道。在低阻GaN中,绝大多数位错发生弯曲和相互作用,在平行于基底方向上形成负电荷的导通通道,GaN薄膜的电导率较高。在高阻GaN中,位错生长方向垂直于基底,负电荷很难在平行于基片方向上传导,GaN薄膜的电导率很低,由此得到高阻GaN。     

纤锌矿GaN外延层薄膜热膨胀行为的变温Raman散射研究

本文对纤锌矿结构GaN外延层薄膜的热膨胀行为进行了研究,结合热膨胀系数的物理意义与变温Raman散射时声子频移的变化规律,研究了热膨胀系数与变温Raman散射之间的关系.结果表明:通过测量Raman声子E_2(high),A_1(TO)和E_1(TO)频移与温度之间的线性关系,结合相应声子Gruneisen参数的涵义,可对纤锌矿结构GaN外延层薄膜在一定温度范围内的热膨胀系数进行测量.本文提供了一种表征纤锌矿结构GaN外延层薄膜热膨胀行为的有效方法,为进一步研究III族氮化物外延层薄膜在生长过程中热膨胀系数的匹配、降低外延层薄膜中的位错密度并提高发光二极管的发光效率提供了理论依据.     

MBE生长氮化镓薄膜的X光电子谱和俄歇电子谱分析

用X光电子谱和俄歇电子能谱的方法对射频等离子体辅助分子束外延(MBE)技术生长的氮化镓(GaN)薄膜进行了表面分析和深度剖析.发现薄膜实际表面存在O和C吸附层,C主要为表面污染,而O形成一定的深度分布,从而影响氮化镓薄膜的电学和光学性质.     

α-Si：H/SiNx叠层薄膜对晶体硅太阳电池的钝化

利用等离子增强化学气相沉积法在硅衬底上制备了 α-Si:H/SiN_x叠层薄膜用来钝化晶体硅太阳电池. 用有效少子寿命表征薄膜的钝化效果, 通过模拟高频电容-电压测试结果分析薄膜钝化的机理. 将α-Si:H/SiN_x薄膜的钝化效果与使用相同方法制备的 α-Si:H薄膜进行对比, 发现 α-Si:H/SiN_x 薄膜的钝化效果明显优于 α-Si:H薄膜. 不同温度下热处理后, α-Si:H/SiN_x薄膜的钝化效果随着温度的上升先提高后降低. 在最佳热处理温度300 ℃下进行热处理, α-Si:H/SiN_x 薄膜的钝化效果能在90 min内始终保持优于 α-Si:H薄膜. 模拟计算结果表明, α-Si:H/SiN_x薄膜的钝化效果与 α-Si:H/Si界面处的态密度有关. 关键词： 太阳电池 钝化 α-Si：H/SiN_x薄膜')" href="#">α-Si：H/SiN_x薄膜 热处理     

高温退火处理下SiNx薄膜组成及键合结构变化

采用等离子增强化学气相沉积法, 以氨气和硅烷为反应气体, p型单晶硅为衬底, 低温下(200 ℃)制备了非化学计量比氮化硅(SiN_x)薄膜. 在N₂氛围中, 于500–1100 ℃范围内对薄膜进行热退火处理. 室温下分别使用Fourier变换红外吸收(FTIR)光谱技术和X射线光电子能谱(XPS)技术测量未退火以及退火处理后SiN_x薄膜的Si–N, Si–H, N–H键键合结构和Si 2p, N 1s电子结合能以及薄膜内N和Si原子含量比值R的变化. 详细讨论了不同温度退火处理下SiN_x薄膜的FTIR和XPS光谱演化同薄膜内Si, N, H原子间键合方式变化之间的关系. 通过分析FTIR和XPS光谱发现退火温度低于800 ℃时, SiN_x薄膜内Si–H和N–H键断裂后主要形成Si–N键; 当退火温度高于800 ℃时薄膜内Si–H和N–H键断裂利于N元素逸出和Si纳米粒子的形成; 当退火温度达到1100 ℃时N₂与SiN_x薄膜产生化学反应导致薄膜内N和Si原子含量比值R增加. 这些结果有助于控制高温下SiN_x薄膜可能产生的化学反应和优化SiN_x薄膜内的Si纳米粒子制备参数. 关键词： x薄膜')" href="#">SiN_x薄膜 Fourier变换红外吸收光谱 X射线光电子能谱 键合结构     

表面等离激元对氮化硅薄膜中Tb3+离子荧光寿命的影响

利用等离子增强化学气相沉积和离子注入方法,制备了铽掺杂的氮化硅薄膜,然后利用磁控溅射和热处理工艺在薄膜上沉积了不同颗粒尺寸的银薄膜来研究表面等离激元共振对铽离子荧光寿命的影响.实验结果表明氮化硅中Tb³⁺离子的光致荧光最强峰在547 nm,而银薄膜的存在会明显降低稀土离子Tb³⁺的荧光寿命,其寿命的改变是由于银薄膜的表面等离激元改变了电磁场的分布,从而影响了系统的局域光模密度(PMD),理论计算的结果也验证了这一点.     

The influence of SixNy interlayer on GaN film grown on Si(111) substrate

A method to drastically reduce dislocation density in a GaN film grown on an Si(111) substrate is newly developed. In this method, the Si_xN_y interlayer which is deposited on an AlN buffer layer in situ is introduced to grow the GaN film laterally. The crack-free GaN film with thickness over 1.7 micron is grown on an Si(111) substrate successfully. Synthesized GaN epilayer is characterized by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscope (AFM), and Raman spectrum. The test results show that the GaN crystal reveals a wurtzite structure with the <0001> crystal orientation and the full width at half maximum of the X-ray diffraction curve in the (0002) plane is as low as 403 arcsec for the GaN film grown on the Si substrate with an Si_xN_y interlayer. In addition, Raman scattering is used to study the stress in the sample. The results indicate that the Si_xN_y interlayer can more effectively accommodate the strain energy. So the dislocation density can be reduced drastically, and the crystal quality of GaN film can be greatly improved by introducing Si_xN_y interlayer.     

PEALD-deposited crystalline GaN films on Si(100) substrates with sharp interfaces

Polycrystalline gallium nitride(GaN) thin films were deposited on Si(100) substrates via plasma-enhanced atomic layer deposition(PEALD) under optimal deposition parameters. In this work, we focus on the research of the GaN/Si(100)interfacial properties. The x-ray reflectivity measurements show the clearly-resolved fringes for all the as-grown GaN films, which reveals a perfectly smooth interface between the GaN film and Si(100), and this feature of sharp interface is further confirmed by high resolution transmission electron microscopy(HRTEM). However, an amorphous interfacial layer(~ 2 nm) can be observed from the HRTEM images, and is determined to be mixture of Ga_xO_y and GaN by xray photoelectron spectroscopy. To investigate the effect of this interlayer on the GaN growth, an AlN buffer layer was employed for GaN deposition. No interlayer is observed between GaN and AlN, and GaN shows better crystallization and lower oxygen impurity during the initial growth stage than the GaN with an interlayer.     

Influence of domain boundaries on polarity of GaN grown on sapphire

GaN films were grown on sapphire substrates by laser-induced reactive epitaxy. The domains in the films were determined to be the Ga-polarity by the convergent beam electron diffraction (CBED) technique, while the adjacent matrices had the N-polarity. The domain boundaries were characterized as inversion domain boundaries (IDBs). An atomic structure of the IDB is proposed based on high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) investigations. Control of the polarity of GaN/sapphire films was achieved by suppressing the formation of IDBs with an interlayer of AlGaN and a low-temperature GaN buffer layer.     

Direct growth of graphene on gallium nitride using C2H2 as carbon source

Growing graphene on gallium nitride (GaN) at temperatures greater than 900°C is a challenge that must be overcome to obtain high quality of GaN epi-layers. We successfully met this challenge using C₂H₂ as the carbon source. We demonstrated that graphene can be grown both on copper and directly on GaN epi-layers. The Raman spectra indicated that the graphene films were about 4–5 layers thick. Meanwhile, the effects of the growth temperature on the growth of the graphene films were systematically studied, and 830°C was found to be the optimum growth temperature. We successfully grew high-quality graphene films directly on gallium nitride.     

Synthesis and optical characterization of c-axis oriented GaN thin films on amorphous quartz glass via sol–gel process

c-Axis oriented GaN nanocrystalline thin films were fabricated by nitridation of three different thin films of -GaO(OH), -Ga₂O₃ or β-Ga₂O₃ obtained by sol–gel technique on amorphous quartz glass substrates. All these GaN thin films showed near band edge emission at 390 nm and yellow luminescence at 570 nm. The crystalline nature and c-axis orientation as well as luminescence properties of the GaN thin films increased by several times by using a buffer layer of GaN on the substrate.     

C+注入a-SiNx：H薄膜的微结构及光发射的研究

常温下对低压化学气相沉积制备的纳米硅镶嵌结构的a-SiN_x:H薄膜进行低能量高剂量的C⁺注入后,在800~1200℃高温进行常规退火处理。X射线光电子能谱(XPS)及X射线光电子衍射(XRD)等实验结果表明,当退火温度由800℃升高到1200℃后,薄膜部分结构由SiC_xN_y转变成SiN_x和SiC的混合结构。低温下利用真空紫外光激发,获得分别来自于SiN_x、SiC_xN_y、SiC的,位于2.95,2.58,2.29 eV的光致发光光谱。随着退火温度的升高,薄膜的结构发生了变化,发光光谱也有相应的改变。