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氨化Si基Ga2O3/Ti和Ga2O3/TiO2薄膜制备一维gan纳米结构研究

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氨化Si基Ga2O3/Ti和Ga2O3/TiO2薄膜制备一维GaN纳米结构研究

作者：孙莉莉山东师范大学

学位级别：硕士

本文采用氨化磁控溅射GaO/Ti和GaO/TiO薄膜的方法在硅衬底上合成了gan纳米结构。通过研究不同生长条件对制备gan纳米结构的影响,初步提出并探讨了此方法合成gan纳米结构的生长机制。我们首先利用磁控溅射系统在Si衬底上制备Ti薄膜,然... 详细信息

本文采用氨化磁控溅射GaO/Ti和GaO/TiO薄膜的方法在硅衬底上合成了gan纳米结构。通过研究不同生长条件对制备gan纳米结构的影响,初步提出并探讨了此方法合成gan纳米结构的生长机制。我们首先利用磁控溅射系统在Si衬底上制备Ti薄膜,然后将样品在氨气气氛中退火,用X射线衍射(XRD)和傅里叶红外吸收谱(FTIR)分析了样品的结构和组分。通过研究Ti/Si薄膜在NH3中的行为,了解到Ti很容易与Si反应生成TiSi2,Ti在高温下也可以和NH3反应生成TiN。但随着温度的升高,都有转化为TiO的趋势。这和我们的热力学分析结果也是一致的。我们利用磁控溅射系统先在Si衬底上制备GaO/Ti薄膜,接着在氨气气氛中退火制备gan纳米结构。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等测试手段详细分析了gan纳米材料的结构、组分和形貌特性。结果表明:合成的纳米结构为六方纤锌矿结构的gan;氨化温度和Ti薄膜的厚度都对一维gan纳米结构的结晶质量和形貌产生很大的影响。随着氨化温度的升高,纳米结构的结晶质量逐渐变好,直径逐渐变大,但当氨化温度升高到1000℃时,纳米结构的结晶质量开始下降,直径又开始变细。另外选用不同的中间层厚度,发现得到的纳米结构形貌各异,说明中间层的厚度对gan纳米结构的合成也有很大的影响;gan纳米结构的生长机制可归结为气体—固体(VS)生长机制,其中Ti与Si衬底的反应使Si表面的表面能分布不再均匀,对gan纳米线的生长起到重要作用。我们利用磁控溅射系统在Si衬底上制备GaO/TiO薄膜,接着在氨气气氛中退火制备gan纳米结构。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等测试手段详细分析了gan纳米材料的结构、组分和形貌特性。结果表明:在TiO中间层上生长出的gan材料的结晶特别好。说明TiO在其它生长gan薄膜的方法中极有可能是一种很有前途的中间层材料。另外我们还发现,不同的退火温度,不同氨化时间和不同的缓冲层厚度对gan薄膜表面纳米结构的形貌和质量有很大影响。我们将TiO中间层对gan纳米线生长的影响也初步地归结到中间层对Si片表面的表面能分布的影响上。

关键词：磁控溅射氨化 gan纳米结构 Ti TiO2

氨化Si基Ga2O3/Ta薄膜制备一维gan纳米结构研究

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氨化Si基Ga2O3/Ta薄膜制备一维GaN纳米结构研究

作者：李红山东师范大学

学位级别：硕士

gan是一种十分优异的宽带隙Ш一V族化合物半导体材料,是当前世界上最先进的半导体材料之一。室温下,gan的禁带宽度为3.4eV,是制作光电子器件,尤其是蓝、绿发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)的理想材料。这类光源在高密度光信息存储、... 详细信息

gan是一种十分优异的宽带隙Ш一V族化合物半导体材料,是当前世界上最先进的半导体材料之一。室温下,gan的禁带宽度为3.4eV,是制作光电子器件,尤其是蓝、绿发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)的理想材料。这类光源在高密度光信息存储、高速激光打印、全色动态高亮度光显示、固体照明光源、高亮度信号探测、通讯等方面有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。此外,gan也是制作高温、高频、大功率器件的理想材料。进入90年代之后,随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善,一些突破性技术的实现使gan材料的研究空前活跃,gan己经成为世界各国争相研究的热点。目前,金属有机气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等方法己经成为制备gan的主流工艺,其中MOCVD使用的最为广泛。采用上述方法制备gan,工艺复杂,设备昂贵,限制了gan材料的制备、生产和应用。现在,国际上有许多科研机构正在探索新的工艺方法,试图在合适的衬底上制备高质量的gan薄膜。目前gan基器件大多数制作在蓝宝石衬底上。由于蓝宝石价格昂贵、衬底自身绝缘且硬度大、器件工艺复杂、制作成本费用高,且由于它导热性能差,不利于大功率器件的制作,硅衬底则可以弥补这些不足。因此,开展Si基gan薄膜材料的外延生长意义重大。虽然以Si为衬底的六方gan材料的生长有一定难度,但由于其晶体质量高、价格低廉、易解理、导电性好和成熟的Si基集成技术等优点,成为蓝宝石衬底强有力的竞争者。本文介绍了采用氨化磁控溅射GaO/Ta薄膜的方法在硅衬底上合成了gan纳米结构的方法。并以扫描电镜(SEM)为主,结合透射电镜及高分辨电镜、X射线衍射、红外吸收等手段,研究了纳米线的形貌、显微结构、成分等,并对其生长机制进行了初步探索。研究了不同的氨化温度、不同的氨化时间和不同中间层厚度对gan纳米线的影响。首先我们利用磁控溅射系统先在Si衬底上制备GaO/Ta薄膜,然后在氨气氛围中退火制备gan纳米结构。测试结果表明:合成的纳米结构为六方纤锌矿结构的gan;氨化温度、氨化时间和Ta薄膜的厚度都对一维gan纳米结构的结晶质量和形貌产生很大的影响。随着氨化温度的升高,gan纳米结构的直径先减小并有棉絮状晶体生成,后来直径又增大且表面趋于相对光滑;纳米结构的结晶质量也逐渐提高。其中,退火温度为1000℃时,样品的结晶质量和表面形貌最佳。但是,当温度继续升高(高于1000℃),氮化镓纳米线的数量会减少并且结晶质量也会下降。从氨化时间上看,10min所得结果相对较好。另外选用不同的中间层厚度,发现得到的纳米结构形貌各异,说明中间层的厚度对一维gan纳米结构的合成也有很大的影响。gan纳米结构的生长机制可初步归结为气体—液体—固体(VLS)生长机制,其中高温下Ta薄膜在高温下会破裂并会在Si衬底上形成纳米液滴,对gan纳米线的生长起到重要作用。

关键词：磁控溅射氨化 gan纳米结构 Ta

氨化硅基磁控溅射Ga2O3/Co薄膜制备gan纳米结构和薄膜的研究

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氨化硅基磁控溅射Ga2O3/Co薄膜制备GaN纳米结构和薄膜的研究

作者：秦丽霞山东师范大学

学位级别：硕士

以氮化镓(gan)为代表的Ⅲ-Ⅴ族氮化物作为第三代半导体材料,由于在蓝光二极管、紫外探测器和短波长激光器等固体光电子器件方面的产业化应用,成为近些年来持续的研究热点,其材料的光电性质得到了广泛的理论以及实验研究。相比之下,有关... 详细信息

以氮化镓(gan)为代表的Ⅲ-Ⅴ族氮化物作为第三代半导体材料,由于在蓝光二极管、紫外探测器和短波长激光器等固体光电子器件方面的产业化应用,成为近些年来持续的研究热点,其材料的光电性质得到了广泛的理论以及实验研究。相比之下,有关低维纳米结构的制备、纳米结构和单晶薄膜生长过程中的物理机理研究等方面的实验工作相对缺乏。目前gan基器件大多数制作在蓝宝石衬底上。由于蓝宝石价格昂贵、衬底自身绝缘且硬度大、器件工艺复杂、制作成本费用高,且由于它导热性能差,不利于大功率器件的制作,硅衬底则可以弥补这些不足。因此,开展Si基gan薄膜材料的外延生长意义重大。虽然以Si为衬底的六方gan材料的生长有一定难度,但由于其晶体质量高、价格低廉、易解理、导电性好和成熟的Si基集成技术等优点,成为蓝宝石衬底强有力的竞争者。但目前硅基生长gan还存在几个主要困难:1) Si与gan的晶格常数失配(17%)和热膨胀系数失配(100%)较大。2) Si与gan之间的浸润性差。3)在生长氮化物过程中容易形成SiN。因此,很难直接在硅衬底上制备出高质量的gan单晶。为了克服这些困难,两步生长技术已被广泛采用:即在Si衬底和gan薄膜之间首先生长一层缓冲层,再外延生长gan,结果表明使用缓冲层可以大大提高薄膜的质量。在本文中,采用磁控溅射系统在Si衬底上先后制备缓冲层Co薄膜和GaO薄膜,然后将溅射的样品在氨气气氛中退火制备gan纳米结构。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外透射谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和光致发光谱(PL)等测试手段详细分析了gan纳米材料的结构、组分、形貌和光致发光特性。通过研究不同生长条件对制备gan纳米结构的影响,初步提出并探讨了此方法合成gan纳米结构的生长机制。另外,通过两步合成法在Si衬底上制备gan薄膜,研究退火温度对gan薄膜的影响。 1.合成一维gan纳米结构在Si衬底上先利用磁控溅射法制备Co薄膜作为缓冲层,再在缓冲层上溅射一层较厚的Ga2O3薄膜(约为500nm)。然后把样品放入高温扩散炉中在氨气中退火,退火后样品表面为浅黄色。经测试分析得出,样品表面存在大量的gan纳米结构。 2.氨化温度对gan纳米结构的影响氨化温度对样品的晶化质量和表面形貌有很大影响,通过比较发现,氨化温度为950℃时,样品的晶化质量最好,合成的纳米线为六方纤锌矿型gan单晶体。且纳米线的形状最规则、一致,表面最光滑平整。 3.氨化时间对gan纳米结构的影响氨化时间对样品的表面形貌和晶化质量的影响也非常明显。选择合适的氨化时间才会得到理想的一维高纯gan纳米结构。氨化时间过短(低于10min),氨化不完全,样品表面没有合成gan纳米结构。随着氨化时间的增加纳米线的晶化质量先提高后降低,纳米结构的形貌是先变好后变差。当氨化时间过长(高于25min),一维纳米结构基本消失。 4.不同缓冲层厚度对合成gan纳米结构的影响比较了两种不同厚度的缓冲层(Co层)获得的纳米结构,从其形貌和晶化质量看,缓冲层厚度10nm比30nm获得的纳米结构质量更好。 ***纳米结构生长机制探索通过分析得知,缓冲层(Co层)对gan纳米结构的生长非常重要。高温时,纳米尺寸的Co层熔化成小液滴,改变了衬底的表面能分布,为gan纳米结构提供了生长点。创新的提出了缺陷能聚集限制生长理论,并解释了gan纳米结构的生长过程。 6.氨化合成gan薄膜在Si衬底上用磁控溅射法先后溅射Co和GaO薄膜,溅射时间分别为10分钟和90分钟,溅射的薄膜在氨气氛围中退火,退火温度分别为900℃、950℃、1000℃和1050℃,退火后样品表面生成gan薄膜。对薄膜的晶化质量和表面形貌进行了对比分析。

关键词：磁控溅射氨化技术 gan纳米结构 Co缓冲层

氨化Si基Ga2O3/Mo薄膜制备一维gan和Ga2O3纳米结构的研究

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氨化Si基Ga2O3/Mo薄膜制备一维GaN和Ga2O3纳米结构的研究

作者：张士英山东师范大学

学位级别：硕士

本文采用氨化磁控溅射不同中间层厚度的GaO／Mo薄膜的方法在硅衬底上合成了gan和GaO纳米结构。对其结构、形貌、组分和发光特性进行了深入的分析和研究，并对其发光机制和生长机制进行了初步探索，研究了不同生长条件对制备gan和GaO纳... 详细信息

本文采用氨化磁控溅射不同中间层厚度的GaO／Mo薄膜的方法在硅衬底上合成了gan和GaO纳米结构。对其结构、形貌、组分和发光特性进行了深入的分析和研究，并对其发光机制和生长机制进行了初步探索，研究了不同生长条件对制备gan和GaO纳米结构的影响。所取得的主要研究结果如下： 1．合成一维gan纳米结构利用磁控溅射系统先在Si衬底上制备GaO／Mo薄膜(Mo和GaO膜的厚度分别30nm和500nm)，接着在氨气气氛中退火制备gan纳米结构。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等测试手段详细分析了gan纳米材料的结构、组分和形貌特性。研究表明：合成的纳米结构为六方纤锌矿结构的gan;不同的氨化温度、氨化时间对合成gan纳米结构都有很大影响，表现为形貌各异的纳米线、纳米棒。 ***光学特性和生长机制的探索室温下，用波长为325nm光激发样品表面，显示出较强的紫外发光峰(371．5nm处)。改变实验条件，发光峰位置都没有随之发生移动，只是发光强度发生了变化。由于合成的大部分纳米结构的直径均大于gan的波尔激子半径(11nm)，超出了量子限制效应起作用的范围，因此，对于371．5处的带边发光峰，与文献报道的gan体材料的发光峰相比，没有发生蓝移。gan纳米结构的生长机制可归结为气体—固体(VS)生长机制，在高温退火过程，Mo易于从GaO获得氧，这一过程一方面使Si表面的表面能分布不再均匀，另一方面加速了GaO的氮化，对gan纳米线的生长起到重要作用。 3．合成一维GaO纳米结构我们利用磁控溅射系统先在Si衬底上制备GaO／Mo薄膜(Mo和GaO膜的厚度分别为300nm和500nm)，接着在氨气气氛中退火制备GaO纳米结构。研究表明：合成的纳米结构为β-GaO;不同的退火温度、退火时间对GaO／Mo薄膜合成GaO纳米结构都有很大影响，表现为形貌各异的纳米线、纳米棒。 ***光学特性和生长机制的探索室温下，用波长为325nm光激发样品表面，显示出两个明显的蓝光发光峰，分别位于411．5 nm和437．6 nm。β-GaO纳米结构发光机制可用空位的存在来解释。在受激后，由镓空位形成的受主上会产生一个空穴，对应的由氧空位形成的施主上会产生一个电子，施主上的电子与受主上的空穴复合就可以发射出一个蓝光光子。有关的发光机制还在近一步的研究中。β-GaO纳米结构的生长机制可归结为气体—固体(VS)生长机制，我们认为Mo颗粒可能作为晶胚的成核点，为纳米结构的生长奠定了基础。

关键词： gan纳米结构 β-Ga2O3纳米结构磁控溅射氨化

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化学气相沉积法制备gan纳米线和纳米棒

功能材料 2009年第1期40卷 152-153,158页

作者：王英薛成山庄惠照王邹平张冬冬黄英龙山东师范大学半导体研究所山东济南250014

采用浸渍法在未抛光的硅衬底上涂抹一层NiCl2薄膜，通过化学气相沉积法（CVD）制备出高质量的gan纳米线和纳米棒。X射线衍射（XRD）、傅立叶红外吸收光谱（FTIR）、选区电子衍射（SAED）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）的分析结果表明... 详细信息

采用浸渍法在未抛光的硅衬底上涂抹一层NiCl2薄膜，通过化学气相沉积法（CVD）制备出高质量的gan纳米线和纳米棒。X射线衍射（XRD）、傅立叶红外吸收光谱（FTIR）、选区电子衍射（SAED）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）的分析结果表明，采用此方法得到了六方纤锌矿结构的gan单晶纳米线。通过扫描电镜（SEM）观察发现纳米线的形貌，纳米线的直径在50～200nm之间，纳米棒的直径在200～800nm之间。

关键词： gan纳米结构 NiCl2 CVD

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gan纳米材料的制备、掺杂及发光性能研究

GaN纳米材料的制备、掺杂及发光性能研究

作者：富松沈阳理工大学

学位级别：硕士

半导体纳米材料由于其特有的光电性能,且在未来器件小型化发展趋势方面具有潜在的应用价值,因而一直是纳米材料科学中的研究热点。作为一种重要的宽禁带半导体材料,Ga N纳米材料的可控制备、发光性能以及能带结构中深能级行为一直是研... 详细信息

半导体纳米材料由于其特有的光电性能,且在未来器件小型化发展趋势方面具有潜在的应用价值,因而一直是纳米材料科学中的研究热点。作为一种重要的宽禁带半导体材料,Ga N纳米材料的可控制备、发光性能以及能带结构中深能级行为一直是研究的热点问题。同时,最近的研究发现,Ga N基纳米材料具有吸收可见光使水解离产生氢的性能,这使得不同形貌Ga N纳米材料的制备和发光性能的研究再次获得广泛关注。本文采用固相源化学气相传输法,通过金属Ga和氨气直接反应,无催化剂辅助的条件下,在石英衬底上制备出了多种形貌的Ga N纳米结构,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)光谱仪以及光致发光(PL)谱对所制备的Ga N纳米结构进行了表征和发光性能的研究。研究结果如下:1、在0.1个大气压范围内,无催化剂辅助的石英衬底上能够制得Ga N纳米结构。纳米结构是由纳米晶沿着其适宜的生长方向堆叠而成,由于不同生长温度导致金属Ga蒸汽压浓度不同,因而合成的纳米结构具有形貌多样性。Ga N纳米结构的Raman光谱中,A1(LO)模式相对于体相产生了红移,可归因于声子限域效应。Ga N纳米结构的光致发光包括本征发光和缺陷发光,其缺陷发光机制为浅施主能级到价带或浅施主能级到深受主能级间的辐射发光。2、常压时,无催化剂辅助条件下,在镓源附近和石英衬底上均制得Ga N纳米结构。通过改变升温方式、温度、氨气流量以及反应时间等手段能够控制纤锌矿Ga N纳米结构的形貌。随着反应温度的升高,晶粒尺寸变大。当合成温度达到900℃时,晶体的结晶质量变好。当反应时间变长时,晶体的结晶质量变好。与负压下合成的Ga N纳米结构相比,常压下合成的纳米结构的结晶质量更好。光致发光中缺陷发光随着粒径的减小会产生红移,可归因于深受主能级存在一定的波动范围。3、Ga N纳米结构掺Zn后会形成包覆结构,尺寸增加,样品变厚,说明Zn掺杂能提高Ga的蒸气压浓度。同时XRD图谱的峰位产生微小左移,晶格常数略微增大,衍射峰的峰形更加明显,说明Zn掺杂能够改善Ga N纳米结构的结晶度。

关键词：固相源化学气相传输法光致发光 gan纳米结构