掺杂氧化镓外延薄膜的生长、相变及物性调控研究

发布时间：2022-08-10 15:52

　　氧化镓（Ga2O3）,一种直接带隙的超宽禁带半导体材料,在电力电子器件,如日盲光电探测器、场效应晶体管、发光二极管、信息存储器、气敏传感器、透明导电电极等领域中有着巨大的应用前景。在Ga2O3的五种同分异构体（α,β,γ,ε和δ）中,β相最常见,稳定性最好,研究最为广泛。然而,β-Ga2O3的单斜结构使其在主流衬底上的外延质量较难提高,其本征的n型导电特性也在一定程度上限制了它在功率器件方面的发展。因此,发掘其它亚稳相在不同领域中的应用潜力,以及实现高质量外延薄膜的相可控生长,是Ga2O3材料进一步发展的必经之路。掺杂工艺是调节晶格应力、诱发结构相变、提高结晶质量、优化物理特性的一种行之有效的应用技术。本论文采用激光分子束外延法和金属有机化学气相沉积法两种生长技术,制备了不同生长条件下的Fe、Mn、Mg掺杂Ga2O3外延薄膜。系统地探究了掺杂浓度、衬底温度、沉积室压强和热退火处理对薄膜的结晶质量、相变过程和基本物性的影响。为不同晶相的Ga2O3外延薄膜在不同领域中的应用前景,提供了可靠的理论和实验依据。主要的研究成果如下:（1）采用激光分子束外延法,通过调节Fe掺杂浓度、衬底温度和生长... 

【文章页数】：129 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 氧化镓材料简介
        1.2.1 历史背景
        1.2.2 晶体结构及基本性质
    1.3 掺杂氧化镓外延薄膜的应用前景及研究进展
        1.3.1 日盲光电探测器
        1.3.2 稀磁半导体
        1.3.3 发光器件
        1.3.4 其它领域
    1.4 研究内容及结构安排
    参考文献
第二章 制备方法及表征技术
    2.1 引言
    2.2 薄膜的制备方法
        2.2.1 激光分子束外延
        2.2.2 金属有机化学气相沉积
        2.2.3 磁控溅射
    2.3 薄膜的表征技术
        2.3.1 X射线衍射
        2.3.2 X射线光电子能谱
        2.3.3 显微技术
        2.3.4 紫外可见吸收光谱及光致发光谱
    2.4 本章小结
    参考文献
第三章 基于Fe掺杂Ga_2O_3半绝缘薄膜的稀磁半导体
    3.1 引言
    3.2 薄膜的生长及相变分析
        3.2.1 薄膜的生长条件探索
        3.2.2 薄膜的掺杂浓度
        3.2.3 薄膜的晶体结构及相图
        3.2.4 薄膜的元素成分及键态
        3.2.5 薄膜的微观结构及形貌
    3.3 薄膜的光学和电学特性
        3.3.1 薄膜的光学性质及带隙
        3.3.2 薄膜的暗电流及绝缘性
    3.4 γ-Ga_2O_3:Fe薄膜稀磁半导体
        3.4.1 第一性原理计算分析
        3.4.2 薄膜的室温铁磁性
    3.5 本章小结
    参考文献
第四章 基于γ-Ga_2O_3:Mn磁性薄膜的日盲光电探测器
    4.1 引言
    4.2 薄膜的生长及缺陷分析
        4.2.1 薄膜的生长及相变分析
        4.2.2 薄膜的键态及元素组分
        4.2.3 薄膜的截面及表面形貌
    4.3 薄膜的基本物理特性
        4.3.1 薄膜的吸收光谱及带隙
        4.3.2 薄膜的光致发光特性
        4.3.3 薄膜的室温铁磁性
    4.4 Ga_2O_3:Mn日盲光电探测器
        4.4.1 器件制备
        4.4.2 器件的I-V特性
        4.4.3 器件的I-t特性
        4.4.4 性能评估
    4.5 本章小结
    参考文献
第五章 基于高质量ε-Ga_2O_3外延薄膜的日盲光电探测器
    5.1 引言
    5.2 薄膜的生长与基本表征
        5.2.1 薄膜的生长条件探索
        5.2.2 薄膜的晶体结构及相变分析
        5.2.3 薄膜的微观形貌
        5.2.4 薄膜的吸收光谱及带隙
        5.2.5 薄膜的元素组成
    5.3 ε-Ga_2O_3日盲光电探测器
        5.3.1 器件制备
        5.3.2 光谱选择性
        5.3.3 器件的I-V特性
        5.3.4 器件的I-t特性
        5.3.5 性能评估
    5.4 ε-Ga_2O_3:Mg日盲光电探测器
        5.4.1 器件的I-V特性
        5.4.2 器件的I-t特性
    5.5 本章小结
    参考文献
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
攻读博士学位期间取得的学术成果列表
    一、学术论文
        作为第一作者
        作为合作作者
    二、专利
    三、参加的会议


【参考文献】：
期刊论文
[1]后退火对射频磁控溅射法制备Mg掺杂Ga2O3薄膜性质的影响[J]. 李如永,段苹,崔敏,王吉有,原安娟,邓金祥.  真空. 2019(03)
[2]Characterization of vertical Au/β-Ga2O3 single-crystal Schottky photodiodes with MBE-grown high-resistivity epitaxial layer[J]. 刘兴钊,岳超,夏长泰,张万里.  Chinese Physics B. 2016(01)
[3]掺Fe高阻GaN缓冲层特性及其对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件的影响研究[J]. 王凯,邢艳辉,韩军,赵康康,郭立建,于保宁,邓旭光,范亚明,张宝顺.  物理学报. 2016(01)
[4]一步火焰辅助热解法制备可见光响应的嵌碳Mn掺杂TiO2微球（英文）[J]. 孙通,陈阳,马晓清,李忠,李绘,崔晓莉.  无机材料学报. 2015(09)
[5]阳离子空位磁矩起因探讨[J]. 潘凤春,林雪玲,陈焕铭.  物理学报. 2015(17)
[6]RGB-LED背光系统的散热研究[J]. 蔡勇,邵旭敏,沈嘉平,黄忠,吴明光.  照明工程学报. 2010(04)
[7]RHEED在计算Al2O3晶面间距中的应用[J]. 王兆阳,胡礼中.  半导体技术. 2009(01)

博士论文
[1]Ga2O3外延薄膜生长与电场调控光电性能研究[D]. 崔尉.北京邮电大学 2018
[2]Ga2O3异质结及Au纳米颗粒复合增强的日盲紫外探测器研究[D]. 安跃华.北京邮电大学 2017
[3]正电子湮没技术研究离子注入型半导体材料中的缺陷与磁性[D]. 徐菊萍.中国科学技术大学 2017
[4]氧化镓光电探测与信息存储器件研究[D]. 郭道友.北京邮电大学 2016
[5]半导体纳米结构磁性的第一原理计算[D]. 唐振坤.湖南大学 2013

硕士论文
[1]Ga2O3薄膜及其Mg掺杂的磁控溅射制备与性质研究[D]. 马艳彬.北京工业大学 2017
[2]Zn和Mg掺杂氧化镓薄膜的制备与表征[D]. 秦新元.浙江理工大学 2017
[3]反应室气压调节对Mg掺杂GaN的影响[D]. 朱铭.大连理工大学 2013
[4]掺杂锰氧化物微纳米结构的制备及其性能研究[D]. 匡莉莉.广西大学 2013
[5]Mn掺杂Ga2O3薄膜的制备、结构和光学性能研究[D]. 胡帆.郑州大学 2009



本文编号：3673921