磁控溅射衬底加热温度和后退火温度对制备β-Ga2O3薄膜材料的影响

作为宽禁带半导体材料的一员,结构稳定的β-Ga₂O₃具有比SiC和GaN更宽的禁带宽度和更高的巴利加优值,近年来受到科研人员的广泛关注。本文采用射频(RF)磁控溅射法在C面蓝宝石衬底上生长β-Ga₂O₃薄膜,探究溅射过程中衬底加热温度的影响。溅射完成后通过高温退火处理提升薄膜质量,研究衬底加热温度和后退火温度对氧化镓薄膜晶体结构和表面形貌的影响。利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)等测试手段对β-Ga₂O₃薄膜晶体结构、表面形貌等进行分析表征。实验结果表明,随着衬底加热温度的升高,β-Ga₂O₃薄膜表面粗糙度逐渐降低,薄膜晶体质量得到显著提升;在氧气气氛中进行后退火,合适的后退火温度有利于氧化镓薄膜重新结晶、增大晶粒尺寸,能够有效修复薄膜的表面态和点缺陷,对于改善薄膜晶体质量有明显优势。     

β-Ga2O3薄膜掺杂工艺及性能研究进展

β-Ga2O3薄膜因其禁带宽度大,稳定性高,生产成本低等优势,被认为是在光电探测器、发光器件等领域非常有前景的材料之一.但β-Ga2O3较低的导电率限制了其在某些领域的应用,通过掺杂技术改进β-Ga2O3薄膜在光学和电学的性能吸引了大量科研者的目光.本文介绍了几种常用的掺杂手段及掺杂对β-Ga2O3薄膜结构和光电特性的影响,并对以后的研究工作进行了展望.     

β-Ga2O3晶体金刚石线锯切割的表面质量研究

本文探究了往复式金刚石线锯的工艺参数对β-Ga₂O₃单晶沿(001)晶面切片时表面质量的影响,从压痕断裂力学理论角度探究了金刚石线锯切割β-Ga₂O₃单晶过程中磨粒行为和材料去除机理。实验从各向异性角度分析了切割方向对(001)面β-Ga₂O₃单晶切割片表面质量的影响,并采用SEM和SJ-210粗糙度测试仪探究了工艺参数对金刚石线锯切割后的晶片表面质量的影响。实验结果表明,增大锯丝速度或减小材料进给速度都能降低亚表面损伤层深度及表面粗糙度,有效改善晶片表面质量。     

射频磁控溅射氧气流量对制备的Ga2O3∶Cr薄膜光致发光性能的影响

在不同氧气流量下,采用双靶射频磁控共溅射的方法在蓝宝石(α-Al₂O₃)基底上制备得到系列掺Cr的Ga₂O₃(Ga₂O₃∶Cr)薄膜,详细研究了薄膜在900 ℃退火前后的结构和光学性能。结果表明,未退火的Ga₂O₃∶Cr薄膜为非晶结构,其发光主要位于蓝绿波段。经900 ℃退火后,薄膜的结构由非晶变为多晶,且在近红外波段观测到了来源于Cr³⁺掺杂的发光。退火后的薄膜结晶质量和近红外发光均与氧气流量密切相关,而其光学带隙不受氧气流量的影响。在所研究的氧气流量范围,4 mL/min氧气流量下薄膜的近红外发光强度最强,这与此条件下薄膜结晶质量较好以及Cr³⁺替代Ga³⁺的数量较多有关。以上研究成果可为制备高质量Ga₂O₃∶Cr薄膜提供参考。     

β-Ga2O3∶Dy3+荧光粉的快速制备及光学性能研究

本文用快速微波水热加煅烧的工艺制备了不同Dy3+掺杂浓度的棒状β-Ga2O3:Dy3+蓝/黄荧光粉.XRD和SEM分析表明Dy3+的掺入使样品的结晶度降低但未对其形貌产生影响.光致发光测试结果表明,β-Ga2O3:DY3+的发射峰位于492nm和580 nm;并且随着Dy3+掺杂量的变化,样品的发射峰强度和蓝光/黄光发射强度比例发生了变化;在Dy3+掺杂量为3mol;时,样品的发射强度达到最大值,蓝光/黄光发射强度比例为59.29;/40.71;.另外,简要分析了GaOOH的生长机理和Dy3+在GaOOH∶Dy3+及β-Ga2O3:Dy3+中的掺杂机理.     

宽禁带半导体β-Ga2O3单晶的研究进展

本论文综述了宽禁带半导体β-Ga2O3材料的研究进展,包括晶体结构,生长方法,掺杂离子,光学性质和电学性质.β-Ga2O3可以作为GaN基LEDs的潜在衬底,同时它也在MOSFET和紫外光探测器方面有着重要的应用前景.     

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。     

飞秒激光激发的β-Ga2O3粉体的上转换发光研究

采用水热法制备了β-Ga2O3粉体,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱和光致发光谱等测试手段对合成样品的结构、形貌和发光性能进行了表征.结果表明:所得样品为单斜晶系的β-Ga2O3粉体;在800 nm飞秒激光下,β-Ga2O3粉体产生上转换发光现象,出现了394 nm,430 nm,448 nm,458 nm,470 nm,476nm,525 nm,552 nm和652 nm上转换发射峰,实现了紫、蓝、绿和红上转换发光.     

透明导电氧化物β-Ga2O3 单晶生长的研究进展

本文对β-Ga2O3单晶体的研究情况进行了综合,主要介绍了β-Ga2O3单晶体的生长方法:Verneuil法、提拉法和浮区法生长技术,并简单介绍了β-Ga2O3单晶体的光学和电学性质及其在GaN衬底方面的应用.β-Ga2O3单晶体的优异性质使其可以成为新一代的透明导电材料.     

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%。     

光学浮区法生长Si∶β-Ga2O3单晶及其光谱研究

采用浮区法生长了质量较好的Si∶β-Ga2O3单晶,直径约为8mm,长度约为2 cm.进行了X射线粉末衍射和X射线荧光分析,结果表明所得Si∶β-Ga2O3单晶属于单斜晶系,而且Si确实进入了β-Ga2O3格位中;在室温下测试了Si∶β-Ga2O3吸收光谱,吸收截止边约为255 nm,并分析了退火对吸收截止边的影响;测试了荧光发射谱,研究了不同激发波长对其紫外及紫色波段发光的影响.     

β-Ga2O3体单晶X射线光电子能谱分析

通过对导模法制备的非故意掺杂、Si掺杂β-Ga2 O3晶体和Si掺杂后退火处理的β-Ga2 O3晶体进行了X射线光电子能谱分析(XPS),对比分析不同样品的Ga3d、Ga2p、O1s特征峰位和峰强度变化,并结合文献报道中β-Ga2O3薄膜及单晶材料的报道结果,进一步确认β-Ga2 O3体单晶特征峰峰值.同时,通过对各峰强度的变化进行对比分析,对次峰产生的原因进行推测,获得Si掺杂及退火对晶体表面及晶体内部个特征峰的变化规律.     

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。     

水热法制备Sm2O3微晶薄膜

以氯化钐为起始原料,采用水热法在玻璃基板和Si(100)基板上制备了Sm2O3薄膜,研究了水热反应温度对薄膜晶相、显微结构和光学性能的影响.采用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)和紫外-可见自记式分光光度计等对薄膜的相组成、显微结构和光学性能进行了表征.结果表明:Sm2O3薄膜在玻璃基板和Si(100)基板上均表现出一定的定向生长的特征;Sm2O3薄膜对紫外线有强烈的吸收作用;随着反应温度从170℃ 升高到 185℃,薄膜的结晶性变好,对紫外和可见光的吸收性均增强;薄膜禁带宽度由2.88eV增加到2.95eV.     

生长和退火温度对磁控溅射法制备的ZnO薄膜性能的影响

利用磁控溅射法于500 ℃、550 ℃、600 ℃和650 ℃下在Al2O3(001)衬底上生长ZnO薄.对生长的ZnO薄膜后分别进行了800 ℃退火和1000 ℃退火处理.利用X射线衍射(XRD)、霍尔测试仪和透射谱仪对薄膜的结构、电学和光学性质进行了研究,结果表明合适的生长温度和退火温度能够提高ZnO薄膜的结晶质量和性能.     

溅射功率对脉冲磁控溅射沉积Cu2O薄膜结构和光学性能的影响

利用脉冲磁控溅射制备技术,采用单质金属铜靶作为溅射靶,在氧气(O2)和氩气(Ar)的混合气氛下,在石英玻璃衬底上制备了Cu2O薄膜.研究了溅射功率对脉冲反应磁控溅射沉积法在室温下对生长Cu2O薄膜结构、表面形貌及光学性能的影响.结果表明,在O2、Ar流量比(O2/Ar)为30∶80的气氛条件下,在60～90 W的溅射功率范围内可获得＜ 111＞取向的Cu2O薄膜;薄膜的表面粗糙度的均方根值随溅射功率的增加而增大;薄膜的光谱吸收范围为300 ～670 nm,不同溅射功率下制备的薄膜均在430 nm附近出现明显的带边吸收,其光学带隙(Eg)在2.15～2.53 eV之间变化.     

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。     

射频磁控溅射制备纳米TiO2薄膜的表征和亲水性能

采用射频磁控溅射TiO2陶瓷靶的方法在硅和石英衬底上制备纳米TiO2薄膜,并经950℃退火1h.通过X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和接触角仪对薄膜相结构、表面形貌、光学性能和亲水性能进行表征.结果表明,与950℃退火1h相比,未退火薄膜是无定形结构并呈现较高的光致亲水性能.退火薄膜是锐钛矿和金红石混合相,其中锐钛矿相质量分数是11.34％.未退火和950℃退火1h的薄膜样品的能隙分别是3.03 eV和3.11 eV.未退火薄膜具有较高的光致亲水性能主要归因于其较低的光学能隙.退火薄膜的热致亲水性能与其相结构、表面清洁度和粗糙度有关.     

TiO2烧结助剂对纳米η-Al2 O3制备Al2 O3-Cr2 O3固溶体的影响研究

以纳米η-Al₂O₃粉和工业铬绿为原料,以摩尔比1:1配比制备Al₂O₃-Cr₂O₃固溶体,以TiO₂为烧结助剂,在还原气氛下经1400 ℃、1500 ℃和1600 ℃固相烧结.研究了TiO₂的加入对纳米η-Al₂O₃制备Al₂O₃-Cr₂O₃固溶体的致密度、线收缩率、相组成、晶胞参数、互扩散程度和微观结构的影响.结果表明:TiO₂的加入能促进Al₂O₃-Cr₂O₃固溶体的致密化;当温度为1600 ℃,TiO₂的添加量为2wt;时,试样的体积密度最大为4.57 g·cm^-3,线收缩率为19.8;;TiO₂的加入能使Al₂O₃-Cr₂O₃固溶体中Al³⁺和Cr³⁺的互扩散程度增加;微观结构表明,TiO₂的加入能使Al₂O₃-Cr₂O₃固溶体晶粒之间结合更紧密,实验温度范围内,随着TiO₂添加量的增加晶粒从沿晶断裂向穿晶断裂转变,只在晶间和晶内存在极少量气孔,当温度为1600 ℃,TiO₂的添加量为2wt;时,晶粒大小较均匀,平均晶粒尺寸约10μm.     

温度对Al2O3-C材料中β-Sialon晶须形成的影响研究

本文研究了温度对Al3O3-C耐火材料中β-Si3Al3O3N5晶须形成的影响规律.研究发现:在弱还原性气氛下,Al2O3-Si-Al-C稳定存在的非氧化物物相为Al4C3 、AlN、SiC和p-Sialon相.其中,催化作用下,Al2O3-C耐火材料中的金属Al在1000℃时转化为AlN,金属Si在1200℃时转化成SiC,在1400℃时有β-Sialon相生成;而无催化剂存在时,生成的物相仅为SiC和AlN相.催化作用下,AlN形貌呈短柱状;SiC呈晶须状,直径为亚微米级,且晶须有液点存在;β-Sialon相呈纳米晶须状.SiC和β-Sialon晶须的生长都符合气-液-固机理.