氧化镓外延薄膜生长及特性研究

来源 :西安电子科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Wangqiling1116
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以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高和热导率高等优越的特性,在大功率器件方面广泛应用。相比较而言,?-Ga2O3半导体材料具有更大的禁带宽度、更小的导通电阻和更高的击穿场强,被认为是制备下一代功率器件理想选择之一。本文采用PLD技术分别在蓝宝石和氧化镓衬底上制备了?-Ga2O3薄膜,主要研究了衬底温度和氧气分压对薄膜质量的影响,此外还分析外延薄膜的光电特性。得到如下结论:第一,选取二氧化锡含量为1%的氧化镓靶材制备氧化镓薄膜,研究氧压和衬底温度对掺杂薄膜特性的影响。XRD测试结果表明外延薄膜沿着(201)晶面族择优生长。根据AFM测试结果,改变氧压或者衬底温度可以改善薄膜的表面形貌,使其表面更加平整。通过对外延薄膜的光学性质进行分析,发现氧压和衬底温度的变化不仅对薄膜的折射率有影响,而且会减小锡掺杂氧化镓薄膜禁带宽度。第二,靶材中二氧化锡的含量能够影响薄膜的质量。将靶材中二氧化锡含量提高至5%,发现氧压的变化会使得样品XRD衍射峰的峰位发生移动,如果氧压升高到0.05mbar,外延薄膜将变成多晶薄膜。AFM测试结果表明,虽然薄膜的生长模式依旧是三维岛状生长,但是锡含量的增加使得薄膜的表面更加平整。同样,改变样品生长的工艺条件可以得到光学性质不同的外延薄膜。第三,紫外探测器的性能与样品生长时的衬底温度有关,提高衬底温度有助于获得更大的光电流和更高的光电流与暗电流之比。利用生长温度为700oC的样品制备的探测器具有最大的光电流,其在电压为20V,光功率密度为50μW/cm2时光电流与暗电流的比值达到了68,并且通过光谱响应测试得到光响应度在电压为60 V时,波长为249nm处出现一个最大值0.00118 A/W,对应的样品禁带宽度为4.78eV。第四,在不同氧压下外延生长氧化镓薄膜,研究了氧压对外延薄膜质量的影响。XRD,AFM等测试结果表明,虽然外延薄膜是同质生长在氧化镓衬底上,但是外延后薄膜的结晶质量不如单晶衬底,并且外延薄膜具有比较粗糙的表面形貌。随着氧气分压的升高,外延薄膜的摇摆曲线半高宽从198弧秒增加到360弧秒,意味着氧压的升高会使得薄膜的结晶质量变差。外延薄膜的表面形貌与氧气分压有着明显的关系,薄膜生长时氧压越高,样品表面就会越平整。第五,在衬底温度为650oC,氧气分压为0.01mbar条件下在氧化镓衬底上外延锡掺杂的氧化镓薄膜。通过XRD测试表明这个条件制备的外延薄膜具有和单晶衬底相接近的结晶质量。根据外延薄膜的AFM测试结果,虽然薄膜不是二维层状生长,但样品表面已经非常平整,其RMS仅为0.426 nm。对样品进行快速热退火后,Ti/Au.电极和氧化镓薄膜形成良好的欧姆接触,并且锡掺杂的氧化镓薄膜为n型导电,其霍尔迁移率和载流子浓度分别为6.23 cm2/V?s和6.74?1019 cm-3
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