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InN在Ⅲ族氮化物中有着不可替代的地位,它在室温下的禁带宽度是0.7eV,将以GaN为代表的第三代半导体材料的特征波长延长到红外波段。同时,InN具有很小的有效质量、极高的饱和电子漂移速率、很高的理论电子迁移率,在光电子器件、高速电子器件领域有很好的应用前景。另外,InN还是一种灵敏的传感器材料。本论文从目前InN材料难以获得高质量单晶薄膜这一研究难点入手,致力于InN薄膜及其纳米结构的MOCVD生长研究,通过调整生长参数来研究其生长机理,从而提高材料的晶体质量。本论文还涉及了InN相关的几个异质结(InN/ZnO、InN/GaAs、InN/GaN)的能带结构参数测量。最后,本文论述了InN的热腐蚀及碱性溶液腐蚀特性。具体研究成果如下:
1.系统地研究了InN薄膜在MOCVD系统中的生长参数对其生长模式及物理性质的影响,找到了适合InN薄膜生长的温度和Ⅴ/Ⅲ比。大量实验结果表明生长温度和Ⅴ/Ⅲ比对薄膜的质量的影响十分明显。提高生长温度有利于增大晶粒尺寸,利于提高薄膜的电学特性。然而,生长温度太高会使薄膜的晶面取向均一性及表面质量极大地恶化。在低于550℃的生长温度及适当的Ⅴ/Ⅲ比条件下,我们获得了具有高表面质量及晶面高度取向的InN薄膜。通过研究Ⅴ/Ⅲ比对InN薄膜生长模式的影响,我们还发现Ⅴ/Ⅲ比在2400-3600范围内可以生长出高度取向及高表面质量的InN薄膜。
2.研究了缓冲层对InN薄膜的生长模式及晶体质量的影响。我们采用了高温GaN、低温InN作为缓冲层与直接在氮化处理后的蓝宝石上生长的InN薄膜做对比,实验发现在氮化蓝宝石上生长的InN薄膜有较窄的X射线摇摆曲线线宽和明显的二维横向生长特征,在高温GaN上生长的InN薄膜呈现出明显的三维纵向生长特性,在低温InN缓冲层上InN的生长方向介于氮化处理的蓝宝石与GaN上生长的InN之间。在高温GaN、低温InN及氮化蓝宝石上用MOCVD方法生长的InN薄膜可以分别认为在生长过程中承受压应力、无应力及张应力。研究表明在三种方法的生长模式正好符合各自的应力释放机理,应力对薄膜生长模式的影响非常明显,其中,张应力会使InN薄膜以二维横向方式生长,压应力会使生长沿纵向进行。
3.成功用氢致自催化方法制备成功了InN一维纳米结构,并分析了其生长机理。我们通过故意引入氢气的方法在MOCVD设备中成功制备出(0001)取向纤锌矿结构的InN一维纳米结构,其中既有纳米管也有纳米棒。实验证明,纳米结构的生长机理为金属铟做催化剂的VLS生长。
4.用X射线光电子能谱方法测出InN/ZnO、InN/GaAs、InN/GaN异质结的能带带结构参数。利用MOCVD方法制备成功了满足XPS测量要求的异质结样品,测出InN/ZnO异质结的价带带阶△Ev为0.82eV,导带带阶△Ec为1.85eV;InN/GaAs异质结的价带带阶值为-1.62eV,这里负号表示当形成异质结时InN的价带项低于GaAs的价带顶,△Ec为-2.34eV,InN的导带底比GaAs的价带项还低0.92eV;InN/GaN的价带带阶为0.96±0.27eV,导带带阶为1.74eV。
5.研究了InN的腐蚀特性。MOCVD方法生长的InN薄膜经热腐蚀后产生了与溶液腐蚀相似的规则的具有六角对称特征的腐蚀图形。腐蚀图形的侧壁对应的晶面为{10-11},表明在沿〈10-11〉方向的腐蚀速率相对其它方向较大。通过不同生长条件下生长的InN薄膜的热腐蚀及溶液腐蚀特性研究,发现腐蚀有明显的缺陷驱动特征,其中螺位错对腐蚀速率有明显影响。