GaN氢化物气相外延生长系统的设计与制作

根据GaN氢化物气相外延生长(HVPE)的原理,设计制作了双温区卧式HVPE系统．根据实际生长中出现的问题和CaN样品的测试情况,对系统进行了逐步的调试和改进．     

InN薄膜的退火特性

对InN薄膜在氨气氛下的高温退火行为进行了研究.利用XRD,SEM和XPS对样品进行了分析.结果表明,InN薄膜的结晶质量和表面形貌并不随退火温度单调变化.由于高温退火时N原子的挥发,剩下的In原子在样品表面聚集形成In颗粒.当退火温度高于425℃时,In原子的脱吸附作用增加,从而导致样品表面的In颗粒在退火温度高于425℃时逐渐减少.XRD和SEM结果表明In颗粒密度最高的样品具有最差的结晶质量.这种现象可能是由于In颗粒隔离了其下面的InN与退火气氛的接触,同时,金属In和InN结构上的差异也可能在InN中导致了高密度的结构缺陷,从而降低了InN薄膜的结晶质量.     

MOCVD制备过掺杂GaN基稀磁半导体微结构研究

应用MOCVD方法我们在c轴取向的蓝宝石衬底上生长出Fe掺杂和Mn掺杂GaN薄膜。通过改变前驱物的通入量,我们制备出不同掺杂浓度的样品。应用高分辨透射电镜,我们对样品的微结构进行了分析。对于Fe过掺杂GaN样品,我们发现了六角结构的Fe3N团簇的存在,并且Fe3N(0002)面平行于GaN(0002)面;对于Mn过掺杂GaN样品,我们发现了六角结构的Mn6N2.58相的存在,并且Mn6N2.58(0002)面平行于GaN(0002)面。同时,由于晶格中掺入了大量掺杂离子,GaN晶格取向遭到了破坏,导致了部分GaN(0002)面的倾斜。磁学测量表明均一相的Fe掺杂GaN显现铁磁性,而均一相Mn掺杂GaN没有铁磁性。由于铁磁性Fe单晶和Fe3N团簇的存在,相比于均一性Fe掺杂GaN,过掺杂GaN样品的磁性大幅度增强,而Mn过掺杂GaN样品显现出很弱的铁磁性,这有可能来源于Mn6N2.58相。     

利用Ni纳米岛模板制备半极性晶面GaN纳米柱

报道了在GaN表面以Ni纳米岛结构作为模板,利用电感耦合等离子(ICP)刻蚀制备GaN纳米柱的研究结果。原子力显微镜(AFM)测试结果表明,金属Ni薄膜在快速热退火(RTA)作用下形成了平均直径和高度大约分别为325 nm和70 nm的纳米岛状结构。通过电子扫描显微镜(SEM)照片看出,以GaN表面所形成的Ni纳米岛作为模板图形,通过控制ICP刻蚀时间,在一定的刻蚀时间内(2 min)获得有序的并拥有半极性晶面的GaN纳米柱阵列。这种新颖的半极性GaN纳米柱作为氮化物量子阱或者超晶格结构的生长模板,可以有效减小甚至消除极化效应,提高光电子器件的效率和性能。     

6H-SiC同质外延层上Si1-yCy合金的生长

用化学气相淀积(CVD)的方法, 在6H-SiC衬底上同质外延生长SiC层, 继而外延生长了Si1-yCy合金薄膜, 用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼散射等方法对所得的样品进行了表征测量, 着重研究了生长得到的Si1-yCy合金的晶体结构。SEM结果显示6H-SiC外延层上生长的Si1-yCy合金薄膜表面平整, 晶粒大小均匀; XRD衍射谱仅显示单一的特征衍射峰(2θ约为28.5°), 表明得到的合金薄膜晶体取向单一, 其晶体类型为4H型; 粗略估算, 合金薄膜中C含量约为3.7%。拉曼谱显示：随生长气源中的C/Si比的增加, Si1-yCy合金薄膜中替位式C含量逐渐增大, 当C/Si比达到一定值时, 合金薄膜中有间隙式C出现, 造成晶体缺陷, Si1-yCy合金薄膜晶体质量下降。     

In2O3纳米线制备及其特性

使用管式加热炉成功地制备出In2O3纳米线.通过扫描电子显微镜可以看到样品为In2O3纳米线;X射线衍射分析证实该材料是立方结构的In2O3;X射线光电子谱分析发现该In2O3中存在大量氧缺陷;光致发光谱研究显示制得的In2O3纳米线有比较强的发光现象,主要集中在紫外光谱区.同时对反应的气相-固相(V-S)生长机理和In2O3的光致发光机理进行了详细分析.     

石墨烯上生长GaN纳米线

采用金属Ga升华法在石墨烯/蓝宝石衬底上生长了高质量GaN纳米线,研究了不同的生长条件,如NH3流量、反应时间、催化剂和缓冲层等对GaN纳米线形貌的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)对GaN纳米线进行表征.研究发现,在适当的NH3流量且无催化剂时,衬底上可以生长出粗细均匀的GaN纳米线.反应时间为5 min时,纳米线密集分布在衬底上,表面光滑.在石墨烯/蓝宝石上预先低温生长GaN缓冲层,然后升温至1 100℃进行GaN纳米线生长,获得了具有择优取向的GaN纳米线结构.研究表明,石墨烯和缓冲层对获得GaN纳米线结构有序阵列具有重要的作用.     

Si上Si1-xGex:C 缓冲层的载流子分布

用化学气相淀积方法在Si(100)衬底上生长了Ge组分渐变的Si1-xGex:C合金缓冲层.研究表明,较高温度下生长的Si1-xGex:C缓冲层中Ge的平均含量较高,其晶体质量要优于较低温度下生长的外延薄膜.载流子浓度沿衬底至表面方向逐渐上升且Si1-xGex:C缓冲层总体呈p型导电,存在一局域n型导电区,本文对其导电分布特性进行了分析研究.     

背势垒对InAlN/GaN异质结构中二维电子气的影响

利用有效质量理论自洽求解Poisson和Schrdinger方程理论研究了背势垒插入层对InAlN/GaN晶格匹配异质结构的电学性能的影响。研究表明,对于In0.17Al0.83N/AlN/GaN的异质结构,AlN的临界厚度为2.43 nm。此时,异质结中二维电子气(2DEG)浓度达到2.49×1013 cm-2,且不随势垒层厚度的变化而变化。重点模拟研究了具有背势垒的InAlN/AlN/GaN/AlGaN/GaN和InAlN/AlN/GaN/InGaN/GaN两种结构的能带结构和2DEG的分布情况。理论结果表明,采用AlGaN背势垒结构时,对于AlGaN的任意Al组分,GaN沟道层导带底能量均被抬升,增强了AlN/GaN三角势阱对2DEG的限制作用,提高了电子迁移率。采用InGaN/GaN作为背势垒结构,当InGaN厚度为2或3 nm时,三角势阱中的2DEG随InGaN中In组分的增加先升高后降低,这主要是由于GaN/InGaN界面处产生的正极化电荷的影响,引起电子在AlN/GaN三角势阱和InGaN/GaN势阱之间的分布变化。     

GaN缓冲层对生长InN薄膜的影响

采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长六方相InN薄膜，利用氮化镓(GaN)缓冲层技术制备了高质量薄膜，得到了其能带带隙0.7eV附近对应的光致发光光谱(PL). 通过比较未采用缓冲层，同时采用低温和高温GaN缓冲层，以及低温GaN缓冲层结合高温退火三种生长过程，发现低温GaN缓冲层结合高温退火过程能够得到更优表面形貌和晶体质量的InN薄膜，同时表征了材料的电学性质和光学性质. 通过对InN薄膜生长模式的讨论，解释了薄膜表面形貌和晶体结构的差异.