雾化辅助CVD制备单晶Ga2O3、Ga2O3:Sn薄膜及其特性分析

作     者：樊俊良 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龚恒翔;阳长永

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：α-Ga2O3:Sn AA-CVD 工艺优化 单晶Ga2O3薄膜 

摘      要：GaO材料因其具有禁带宽度大的特点而被人们广泛关注。作为新一代半导体,GaO高达4.40-5.30 e V的禁带宽度使其天然就具有日盲紫外波段的应用场景。除此之外GaO材料还常被用于金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semico nductor Field-Effect Transistor,MOS-FET）和肖特基二极管（Schottky Barrier Diode,SBD）等电子器件领域。因此,对于GaO材料的制备工艺探索以及特性调控一直是成熟器件的基础。本文以GaO薄膜材料作为研究对象,以雾化辅助CVD法作为研究方法,通过系统结构优化、工艺参数探索得到GaO薄膜的制备工艺,分别制备、表征了α-GaO和β-GaO薄膜。并以Sn作为掺杂剂,系统的探索了三种掺杂方式(二水合氯化亚锡（Sn Cl·2HO）、五水合氯化锡（Sn Cl·5HO）和过氧化氢（HO）+二水合氯化亚锡（Sn Cl·2HO）)下Sn源浓度变化对α-GaO薄膜结晶质量、光学特性的影响。然后将三种方式进行对比分析,研究了不同掺杂方式下外延薄膜的结晶质量、光学特性、电学特性、元素分布以及形貌结构的变化。本文主要研究内容如下: 1、采用雾化辅助CVD方法,以GaO薄膜为研究对象,通过设备结构优化设计、温度流场仿真,探索了制备GaO薄膜的工艺条件。对雾化辅助CVD系统反应腔体部分的物件结构、组合方式、测温分布等效用结构进行优化设计,使反应腔体在保持良好气密性的同时兼具良好可视性与可复用性等优点。通过形貌结构表征,发现反应腔体结构的优化设计可以在一定程度上提升薄膜质量。结合仿真软件对反应腔体内反应区附近的温度场、气流场和气溶胶颗粒直径变化进行预测,得到在C区附近具有较为理想的外延环境,为后续实验提供了参考。 2、研究了雾化辅助CVD方法下温度变化对α-GaO和β-GaO薄膜生长取向的影响,探究了反应腔体内不同反应区位置外延α-GaO薄膜的特性变化,并制备、表征了α-GaO和β-GaO薄膜的物理特性。通过设定反应温度（400-700℃）进行GaO薄膜的外延生长,得到当生长温度低于400℃时,为非晶或多晶态;当生长温度在400℃-550℃时,为α-GaO择优生长取向;当温度高于550℃时,随着温度上升α-GaO（0006）面衍射峰强度逐渐减弱,β-GaO(（?）021)、(（?）042)、(（?）063)衍射峰强度逐渐增强,为β-GaO择优取向生长。通过在反应区不同位置进行实验,得到B-C区生长薄膜衍射峰强度逐渐增强、晶粒尺寸逐渐增大,C-F区生长薄膜衍射峰强度逐渐减弱、晶粒尺寸逐渐减小。其光学透过性为B-C区逐渐提高、C-F区逐渐降低。几组样品都在412 nm、431 nm、452 nm、468 nm处出现发光峰位,且随着距离的增加,发光强度显示出先降低后增加的趋势。 3、通过改变Sn掺杂比例（1 at%-5 at%）对α-GaO薄膜的结晶性、光学特性、结构特性进行了调控。结果表明,三种方式下外延生长的α-GaO:Sn薄膜都具有较高的结晶状态。随着Sn掺杂浓度的增加,都表现出半高宽值逐渐减小、晶粒尺寸逐渐增大、缺陷密度逐渐降低的趋势。其光学特性为,当入射波长230 nm时,所有样品相比于蓝宝石衬底都具有90%以上的透过率。随着Sn掺杂浓度的增加,α-GaO:Sn薄膜的吸收带尾逐渐红移,光学带隙逐渐缩短。再通过改变Sn掺杂源的方式,对不同掺杂方式下外延α-GaO:Sn薄膜的元素组成、晶体结构、光学特性、电学特性以及结构特性进行了深入的探索。结果表明,三种方式中,Sn（HO）外延薄膜具有最小的半高宽值0.044°。三种方式制备的薄膜相比于蓝宝石衬底都能获得90%以上的透射率。但相同浓度下,Sn外延薄膜透过率最低、Sn第二、Sn（HO）最高。三种方式都能获得5.18 e V左右理想的光学带隙,且外延5 at%薄膜的实际掺杂量分别为4.07 at%、4.12 at%、4.22 at%,表明方式三有效掺杂最高。Sn（HO）在三种掺杂方式中具有最低的电阻率（640.1Ω.cm）、最高的载流子浓度(2.05×10 cm)和迁移率(47.6 cmVs),且保持较大的晶粒尺寸。