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基于极性面和非极性面GaN/AlN模板上ZnO薄膜材料生长研究

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1 绪论

1.1 引言

1.2 ZnO材料的晶体结构和基本性质

1.3 ZnO薄膜材料研究进展

1.4 非极性面ZnO薄膜的研究现状和意义

1.5 本论文的选题依据、内容及结构安排

2 GaN/AlN材料特征及薄膜表征方法

2.1 缓冲层材料选择

2.2 AlN/GaN材料的晶体结构和性质

2.3 薄膜表征技术

2.4 本章小结

3 MOCVD生长GaN/AlN薄膜研究

3.1 薄膜生长原理分析

3.2 MOCVD系统工作原理

3.3 高温连续法外延AlN模板MOCVD生长研究

3.4 AlN模板生长极性面GaN薄膜研究

3.5 不同缓冲层上生长非极性面a-GaN薄膜研究

3.6 本章小结

4 磁控溅射法生长非极性面ZnO薄膜研究

4.1 磁控溅射系统工作原理

4.2 a-GaN模板上生长非极性面ZnO薄膜研究

4.3 本章小结

5 脉冲激光沉积（PLD）法生长ZnO薄膜研究

5.1 脉冲激光沉积系统工作原理

5.2 优化AlN缓冲层厚度生长高质量极性面ZnO薄膜研究

5.3 衬底表面镀镍方法生长极性面ZnO薄膜研究

5.4 a-GaN模版上生长非极性面ZnO薄膜研究

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 本论文工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表及待发表论文目录

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摘要

随着世界信息化技术的迅速发展,新型半导体材料取得了重大的进展,也促进了各种光电技术的飞速发展。由于光电子器件潜在的巨大市场,使得宽禁带半导体材料成为研究的重点。氧化锌(ZnO)薄膜作为一种宽禁带、光学透明的薄膜,可以制作太阳能电池的透明电极;另外,ZnO薄膜激子束缚能高,在室温下可以实现光的受激发射,可以方便制作紫外激光器,因此,ZnO薄膜材料在制作光电器件方面有着巨大的应用前景。另外,ZnO原料易得、价廉、毒性小,是最有开发潜力的光电薄膜材料之一。
　　ZnO薄膜一般是采用异质外延的方式获得,晶体质量有待提高。由于III-V族AlN、GaN和II-VI族ZnO都是六角密排结构,晶格常数相近,因此,AlN和GaN都可以作为ZnO材料生长的缓冲层,通过降低与衬底材料的晶格失配来提高ZnO材料的晶体质量。因此,如何生长出高质量的AlN、GaN缓冲层,以及如何利用缓冲层提高ZnO薄膜质量一直是国际研究的热点。
　　ZnO基材料与器件的研究工作大多是在极性面(c面)材料上开展的。ZnO材料在常温下具有稳定的纤锌矿结构,不具有中心反演对称性,导致ZnO及其异质结在c方向具有很强的自发极化和压电极化效应。为了消除极化效应对器件发光波长及发光效率的影响,最根本方法是以非极性面AlN、GaN作为缓冲层来生长非极性面ZnO薄膜及其异质结构。目前生长高质量的非极性面GaN、ZnO材料正成为国际上宽禁带半导体领域的研究热点之一,美国、日本、欧洲等多个研究小组一直从事于这一领域的研究。
　　本论文使用蓝宝石衬底,将AlN及GaN作为中间过渡层,采用脉冲激光沉积法(PLD)及磁控溅射等方法分别在其极性面c面和非极性面a面上生长出了高质量ZnO薄膜,对生长工艺及生长条件进行了深入研究,并对材料表面形貌及晶体质量进行分析。具体分为以下三部分:
　　(1)采用缓冲层插入技术,优化成核层的生长参数,在蓝宝石衬底上利用MOCVD技术生长出了高质量的极性面c面AlN和非极性面a面GaN薄膜。
　　(2)采用磁控溅射方法,在高质量非极性面a面GaN模板上生长非极性面ZnO薄膜。通过改变主要生长参数,利用各类测试手段对生长的非极性面ZnO进行表征,对比研究在非极性面a面GaN上生长高质量非极性面ZnO的最佳条件。
　　(3)采用脉冲激光沉积(PLD)方法,在高质量极性面c面AlN模板上生长极性面c面ZnO薄膜,研究最佳生长条件。其次,采用在蓝宝石表面镀镍作为缓冲层生长ZnO薄膜的方法生长高质量ZnO薄膜,降低工艺难度。最后,研究了非极性面a面GaN上生长高质量非极性面ZnO薄膜的优化条件。
　　本文主要获得了以下有意义和有创新性的研究结果:
　　(1)通过在低温成核层上混合使用脉冲原子层外延(PALE)和高温连续生长两种方法进行高质量AlN的MOCVD生长。这种方法既调控低温成核密度以降低位错密度,又能以较高速率进行高晶体质量AlN外延生长,同时通过对MOCVD生长条件的优化来调节应力和抑制位错,得到的AlN薄膜表面平整光滑,其表面均方根粗糙度(RMS)为1.4nm同时高分辨X射线衍射仪(HRXRD)测试结果表明其(002)和(102)面半高宽(FWHM)分别为82arcsec和575arcsec。
　　(2)基于磁控溅射技术,采用晶格匹配度高的a-GaN/r-Al2O3作为模板,进行非极性a面ZnO薄膜生长。比较研究结果表明,同直接在r-Al2O3衬底外延的ZnO薄膜质量相比,在a-GaN/r-Al2O3模板更容易获得a面取向的ZnO薄膜。测试结果表明当生长温度为300℃时,ZnO薄膜的结晶性能最好,其高分辨X射线衍射仪的FWHM为0.51°(1836arcsec)。
　　(3)采用PLD,研究了AlN缓冲层厚度对极性面ZnO质量的影响。研究结果表明,在c面蓝宝石衬底上进行极性面ZnO薄膜生长时,AlN作为缓冲层可以提高晶体成核密度。而且当AlN缓冲层的厚度为150nm时,采用PLD生长ZnO薄膜的结晶性能最好,其高分辨X射线衍射仪的FWHM为0.09°(324arcsec)。此外,以a-GaN/r-Al2O3作为模板,采用PLD优化了非极性面ZnO材料的生长,优化后ZnO薄膜高分辨X射线衍射仪的FWHM为0.28°(1008arcsec),其质量高于采用磁控溅射生长的非极性面ZnO薄膜。

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