缓冲层厚度对MOCVD法生长GaN外延薄膜性能的影响

本文研究了低温GaN(LT-GaN)缓冲层表面形貌,其随厚度的变化规律及对随后生长GaN外延膜各项性能的影响.用场发射扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)研究LT-GaN缓冲层表面形貌,发现随着厚度的增加,其表面由疏松、粗糙变得致密、平整,六角GaN小晶粒的数量减少,且取向较为一致.用X光双晶衍射(XRD)、AFM和Hall测量研究1μm厚本征GaN外延薄膜的结晶质量、表面粗糙度、背底载流子浓度和迁移率等性能,发现随着LT-GaN缓冲层厚度的增加:XRD的半高宽FWHMs增大,表面粗糙度先减小后又略有增大,背底载流子浓度则随之减少,而迁移率的变化则不明显.通过分析进一步确认LT-GaN缓冲层的最优生长时间.     

高质量GaN薄膜的MOCVD同质外延生长

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在GaN自支撑衬底上同质外延生长了GaN薄膜,得到高质量的GaN外延薄膜.X射线衍射(XRD)结果显示其(002)面摇摆曲线半高宽小于100弧秒,原子力显微镜(AFM)照片上能看到连续的二维台阶流形貌,其表面粗糙度小于0.5nm,其位错密度低于106 cm3.     

MOCVD法在(220)CaF2衬底上生长ZnO薄膜及其性能研究

采用金属有机化学汽相沉积(MOCVD)法在(220)CaF2衬底上外延生长ZnO薄膜.利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见光谱和光致发光谱(PL)对ZnO薄膜的结构和光学性能进行了分析.XRD结果表明,所制备的ZnO薄膜结晶性能良好,具有高度的(002)的择优取向,002衍射峰的半高宽(FMHM)为0.115°.所制备的ZnO薄膜透明,透过率超过85;.在常温的(He-Cd激光器)PL谱中,只有378.5 nm的带边发射.用同步辐射光源测试的真空紫外光谱中,在低温20K时,出现218 nm、368 nm、418 nm、554 nm发光峰,其中368 nm峰强度随着温度的升高强度逐渐下降,到常温时几乎消失.     

径向三重流MOCVD反应器生长GaN的数值模拟

采用计算流体力学方法对生长半导体材料GaN的重要设备三重进口行星式MOCVD (金属有机物化学气相沉积) 反应室中的输运过程进行了二维数值模拟.从浓度场的角度分析反应器内衬底上方NH3和TMGa的浓度影响因素.根据对模拟结果的分析,发现较均匀的流场对应衬底上方的反应物浓度较高,降低反应器内压强,也可获得衬底上方较高的反应物浓度,由于MOCVD反应器内有较大的温差,因此热扩散效应不能忽视.     

ZnO∶Al衬底上低温生长GaN薄膜

利用射频磁控溅射在普通玻璃上制备了(0002)择优取向的ZnO:Al薄膜.采用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)技术,在ZnO:Al薄膜衬底上沉积了厚度为320 nm的GaN薄膜.利用高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和光透射谱等表征方法,研究了沉积温度对GaN薄膜的结晶性、表面形貌和透射率的影响.     

加合反应对MOCVD生长GaN化学反应路径的影响

针对分隔进口垂直高速转盘式(RDR)MOCVD反应器生长GaN的气相化学反应路径进行数值模拟研究.分别考虑TMG与一个NH3的加合反应(模型1)和TMG: NH3与第二个NH3的加合反应(模型2)两种情况,通过对比两种情况下衬底表面附近主要反应前体的浓度大小,判断GaN生长的主导反应路径.通过分析模拟结果发现:只考虑TMG与一个NH3的加合反应时,GaN生长主要遵循TMG热解路径;在考虑TMG: NH3与第二个NH3的加合反应时,GaN生长主要遵循加合路径.由此可见,TMG: NH3与第二个NH3的反应对于MOCVD生长GaN的化学反应路径的选择具有很大的影响.     

MOCVD生长AlN/GaN化学反应路径的量子化学研究

应用量子化学的密度泛函理论,对MOCVD生长GaN/AlN薄膜的反应路径进行理论计算和分析,特别是针对Ⅲ族TMX(X=Ga,Al)与V族NH3的反应路径与温度的关系进行研究.计算结果表明:当温度T≤473.15 K时,反应自由能△G＜0,TMX与NH3自发生成配位加合物TMX∶ NH3;当T≥573.15 K时,△G＞0,TMX∶ NH3将重新分解为TMX和NH3.在473.15 K≤T≤573.15 K区间,将存在△G=0,即加合反应达到平衡,反应为双向可逆.随着温度的升高,从加合物变为氨基物DMX∶ NH2的反应概率加大.TMX和MMX的直接热解反应均需要高温激活,而DMX变为MMX则较容易发生.当T＞873.15 K时,DMGa变为MMGa的热解反应将自发进行;当T＞1273.15 K时,DMAl变为MMAl的热解反应将自发进行.在自由基CH3参与下,TMX→DMX(X=Ga、Al)的能垒仅为TMX直接热解能垒的一半,约为30 ～ 40 kcal/mol;在自由基H参与下,TMGa和TMAl的热解反应能垒更低,约为16～ 20kcal/mol.因此,自由基H的产生将大大促进TMX的热解.     

垂直转盘式MOCVD反应器进口温度对GaN生长的影响

针对垂直转盘式MOCVD反应器进口温度对GaN生长的影响进行数值模拟研究,分别考虑预混合进口和分隔进口两种情况.通过对包含主要化学反应路径的气体输运过程的模拟,对比不同进口温度下衬底前沿的反应前体浓度及其对应的生长速率的变化,从而确定进口温度对化学反应路径及生长速率的影响关系.结果表明,两种进口情况下,随着进口温度的升高,生长速率均呈现先增大后减小的趋势.预混合时,进口温度约500 K时生长速率最大;分隔进口时,进口温度约800 K时生长速率最大.这主要是由于,生长速率取决于衬底上方边界层内含Ga粒子的浓度梯度.预混合时,衬底前沿的含Ga粒子主要为MMGa,其浓度随进口温度的变化趋势与生长速率的变化趋势一致.分隔进口时,衬底前沿的含Ga粒子MMGa和DMGaNH2浓度处于同一数量级.随进口温度的升高,前者略有增加,而后者明显增大.当预混合的进口温度超过500 K、分隔进口的进口温度超过800 K时,衬底前沿的MMGa和DMGaNH2的峰值或明显下降、或明显离开衬底,使得含Ga粒子的浓度梯度显著下降,造成生长速率下降.     

采用MOCVD法在p型Si衬底上生长Zn0薄膜

采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在p型Si(100)衬底上生长未掺杂的n型ZnO薄膜.在不同的生长温度下,c轴取向ZnO薄膜被生长在Si衬底上,生长所采用的锌源为二乙基锌(DEZn),氧源为氧气(O2).通过X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)和荧光光(PL)谱研究了薄膜的结构和光学特性.研究表明温度为610℃时生长的ZnO薄膜显示最好的结构和光学特性.此外,所生长n-ZnO/p-Si异质结的I-V特性曲线都表现明显的整流特性,且反向漏电流很小.在620℃生长的异质结的漏电流相对最大,大于在其它温度下生长的异质结的漏电流.     

非极性GaN薄膜及其衬底材料

本文分析了在不同衬底上生长无极性GaN薄膜的情况,这些衬底主要包括γ-LiAlO2、r面蓝宝石等.通常在蓝宝石上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的,而c轴是GaN的极性轴,导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场,发光效率会因此降低,发展非极性面外延,有望克服这一物理现象,使发光效率提高.     

蓝宝石衬底上GaN薄膜的结构和光学特性表征

采用低压金属有机化学气相沉积(LPMOCVD)法,成功地在(0001)晶向的蓝宝石(Al2O3)衬底上制备了高质量的GaN薄膜.并利用X射线衍射(XRD)谱和椭圆偏振光谱(SE)对其结构和光学特性作了表征.XRD谱中,在34.5°和72.9°附近出现了两个尖锐的衍射峰,分析表明这两个衍射峰分别对应纤锌矿(Wurtzite) 结构GaN薄膜的(0002)和(0004)晶向.其中GaN (0002)晶向衍射峰的半高宽(FWHM)很窄,只有0.1°左右,并且GaN(0004)晶向衍射峰强度很强,二者均证实了采用LPMOCVD法制备的GaN薄膜具有高的质量.在介电函数和反射谱中,GaN高的透明性(＜3.44eV)诱导了强的干涉振荡.室温下拟合出的表征带间跃迁的光学带隙约为3.44eV.     

衬底温度对MOCVD-ZnO薄膜特性的影响

利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长技术,制备本征ZnO薄膜,并研究薄膜的结构、形貌及光电等性能.结果表明:衬底温度对ZnO薄膜的微观结构、电学、光学及表面形貌等有显著影响.在衬底温度为180℃时获得电阻率为2.17×10-2Ω·cm.平均透过率为85;的低电阻、高透过率、结晶质量高、表面呈绒面结构的本征ZnO薄膜.对本征ZnO薄膜进一步掺杂和结构优化有望用于硅薄膜太阳能电池的前电极.     

薄膜厚度对MOCVD法沉积ZnO透明导电薄膜的影响

本文研究了薄膜厚度对MOCVD技术制备未掺杂ZnO薄膜的微观结构和电学特性影响.XRD和SEM的研究结果表明,随着薄膜厚度的增加,ZnO薄膜(110)峰趋于择优取向,且晶粒逐渐长大,薄膜从球状和细长棒状演变为具有类金字塔绒面结构特征的ZnO薄膜;Hall测量表明,较厚的ZnO薄膜有助于提高薄膜电学特性,可归于晶粒长大和晶体质量提高.40min沉积时间(膜厚为1250nm)制备出的ZnO薄膜具有明显绒面结构,其晶粒尺寸为300～500nm,电阻率为7.9×10-3Ω·cm,迁移率为26.8cm2/Vs.     

MOVPE生长GaN薄膜的表面吸附和扩散研究

利用量子化学计算方法,对MOVPE生长GaN薄膜的表面反应进行研究.特别针对反应前体GaCH3(简称MMG)在理想、H覆盖和NH2覆盖GaN(0001)面的吸附和扩散进行计算分析.通过建立3×3 超晶胞模型,优化计算了MMG在三种不同覆盖表面的稳定吸附位、吸附能和电子布居,搜寻了MMG在稳定吸附位之间的扩散能垒.计算结果表明:对于三种表面,MMG的稳定吸附位均为T4位和H3位,H3位比T4位略微稳定.MMG在NH2覆盖表面吸附能最大,在H覆盖表面吸附能最小,在理想表面吸附能居中.MMG中的Ga与不同的表面原子形成的化学键的键强的大小顺序为:Ga-N>Ga-Ga>Ga-H.相比于理想表面和H覆盖表面,MMG在NH2覆盖表面的扩散能垒最大,因此表面过量的NH2会抑制MMG的扩散.     

射频磁控溅射生长ZnO薄膜及性能研究

采用射频磁控溅射技术在玻璃衬底生长ZnO及ZnO∶ Al薄膜,通过改变氩氧比、衬底温度和溅射功率获得样品.用X射线衍射仪、紫外-可见分光光度计、扫描电子显微镜进行表征.结果发现:室温下40W的溅射功率1h的溅射时间,改变氩氧比获得样品.XRD图谱中无明显衍射峰出现;紫外可见光分光光度计测试结果显示400nm波长以下,透光率在90;以上.说明薄膜生长呈无定形.衬底温度高于200℃样品,XRD有明显(002)衍射峰出现,在400～ 800 nm波长范围,透光率在88;以上,衬底温度300℃时,XRD衍射峰半高宽最小,晶粒尺寸大.TEM显示:衬底300℃晶粒尺寸最大,晶体发育好.在200℃掺铝ZnO薄膜,(002)峰不明显,有(101)峰出现.     

B掺杂量对LPCVD生长大面积ZnO透明导电薄膜性能的影响

采用低压化学气相沉积(LPCVD)技术在大面积的玻璃衬底上制备了B掺杂ZnO(BZO)透明导电薄膜,研究了不同B2H6掺杂量对BZO薄膜微观形貌、导电能力及其均匀性、透光率等性能的影响.结果表明,所制备的BZO薄膜表面具有自生长的绒面结构;B2H6掺杂量由30 sccm增加到60 sccm,BZO薄膜的方阻由28.6Ω/□减小到14.1 Ω/□,导电能力显著增强,同时方阻均匀性也明显提升;BZO薄膜在长波区的透光率随B2H6掺杂量的增加而明显降低,综合透光率结果,最佳B2H6掺杂量控制在60～ 90 sccm之间.