GaN/g-C3N4异质结的低温生长及特性研究

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Ⅲ-Ⅴ族的氮化物(GaN、AlN、InN)作为复合型的纤锌矿结构,能够形成相连接续的合金系统(InxGa1-x-x N和AlxGa1-x-x N),因此通过对其合金组分进行适当调整,可实现禁带宽度从0.7eV(InN)到6.2eV(AlN)之间的连续调控,进而通过对体系较为单一的材料加以调控来实现涵盖红、黄、蓝、绿、紫以及紫外光谱范围内的光电元件的制备。此外,GaN材料因其电子迁移率大、电子漂移饱和速度高、临界击穿电场较高,而且介电常数小等良好电学特性使其在高温高频以及大功率等器件领域有着不可估计的应用潜力。另一方面,类石墨相氮化碳(g-C3N4)因具有量子产率高、光学活性良好等优良特性在半导体材料广泛运用,本论文将g-C3N4和GaN结合起来研究GaN/g-C3N4异质结的低温生长及特性,主要是因为g-C3N4纳米材料优良的光催化、电学、物理化学性质以及良好的吸附性能,且g-C3N4与GaN表面结构一致均为六方结构,计算可得晶格失配度为14.8%,低于GaN与目前常用的蓝宝石衬底α-Al2O3之间的晶格失配度(16.7%)。因此在g-C3N4上生长GaN薄膜,可降低晶粒的失配位错密度、应力翘曲,从而提高GaN晶体的质量。此外g-C3N4具有导电性,将有利于在g-C3N4外延生长垂直型结构的GaN器件,且异质结的结合解决了单一的g-C3N4纳米材料的各项性能并不突出的问题。因此,本论文采用ECR-PEMOCVD设备,以透明导电玻璃(ITO)为衬底,g-C3N4为中间层,TMGa为镓源,H2为载气,纯度为99.999%的N2作为氮源,低温生长GaN薄膜,并研究了GaN/g-C3N4异质结的低温生长及特性。研究结果表明:采用CVD的方法在管式炉内,以0.65g的三聚氰胺C3N3(NH23粉末为前驱体材料,温度为550℃时成功在ITO衬底上沉积出淡黄色的透明光滑且均匀g-C3N4薄膜。然后继续采用ECR-PEMOCVD设备在g-C3N4/ITO上成功实现GaN薄膜的制备,测试结果分析表明,采用适宜的生长参数,可以在g-C3N4薄膜上低温沉积出c轴择优生长的GaN薄膜;AFM分析结果表明,温度为430℃时,GaN薄膜结晶质量最佳,出现GaN(002)衍射峰呈c轴择优取向的,晶粒大小为42.1nm,有一定c轴压应力,且应力值为0.35GPa;表面形貌均匀平整,表面粗糙度较小,测量值为19.7nm;GaN薄膜带边发光峰位置为3.48eV(对应波长356.3nm);电学性质分析可知ITO衬底与异质结GaN/g-C3N4间近乎于肖特基接触且GaN表面缺陷相对较小,此结果为多功能及微型化传感器的制备奠定重要的研究基础。
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