GaN基Ⅲ-Ⅴ族半导体材料由于其禁带宽度大、热稳定性和化学稳定性、波段覆盖了从可见光到紫外光部分,在光电子学和微电子学领域中有重要的应用前景。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。本文采用氨化Ga2O3/ZnO薄膜的方法制备了一维GaN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。研究了缓冲层的特性及其对生长GaN纳米结构薄膜的影响;同时采用磁控溅射系统,以ZnO作为缓冲层,在硅基上外延生长了GaN薄膜。所取得的主要研究结果如下:1.研究退火对ZnO缓冲层特性的影响在氨气中,随着退火温度的增加,薄膜的结晶质量变好,但当温度达到650℃时,ZnO表面出现孔洞现象,表明在该温度下ZnO已经分解;到700℃时,表面更加不平整,孔洞增多,并且部分局域出现Si的抛光面,说明ZnO进一步分解;当温度达到750℃时,只剩下Si的抛光面,表明在此温度下,ZnO已经完全分解了。为了进一步证实这一现象,我们也用了较厚的ZnO薄膜,在750℃下,ZnO也完全分解了。在空气和氧气气氛中进行退火。在氧气气氛下,最佳退火温度为900℃时,得到了均匀、致密、沿C轴择优取向生长具有六方纤锌矿结构的ZnO薄膜,其结晶质量和表面形貌最好。当退火温度进一步增加到1000℃,由于ZnO的热不稳定性,将分解为Zn和O2,导致了其结晶质量的下降。在空气中退火,结果与氧气的情况相似,最佳退火温度为600℃。2.合成一维GaN纳米结构在Si衬底上利用脉冲激光沉积法和磁控溅射法制备ZnO薄膜,这两种方法生长的ZnO作为缓冲层。然后再利用磁控溅射法在缓冲层上溅射一层较厚的Ga2O3薄膜(约为500nm)。研究表明:不同的ZnO层退火温度、氨化温度对Ga2O3/ZnO薄膜合成GaN纳米结构都有很大影响,合成的一维纳米结构为六方纤锌矿结构的单晶GaN,表现为形貌各异的纳米线、纳米棒、纳米颗粒、簇状结构等。3.GaN光学特性室温下,用波长为298nm光激发样品表面,出现373nm、436nm、474nm三处发光峰,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。对于中心位于373nm发光峰对应于六方GaN纳米结构的近带边发射;由于合成GaN纳米结构时利用了ZnO缓冲层,在氨化过程中Zn原子将会扩散到GaN中,所以对于位于436nm处的发光峰可能归因于Zn杂质能级的跃迁;也可能是由于C杂质取代N原子造成的深受主能级到导带的跃迁所致。位于474nm处的发光峰,是由于在氨化过程中和GaN重组过程中产生的缺陷或表面态所致。4.GaN生长机制的探索首先在硅衬底上生长ZnO缓冲层,然后退火,得到较高质量的缓冲层,这将有利于随后溅射生长平整致密Ga2O3薄膜;另一方面,在高温氨化的过程中,ZnO缓冲层将要挥发。虽然在氨化过程中ZnO会挥发,这不可避免地产生缺陷和位错,形成了一些自组装纳米尺寸微孔,但在形成GaN的过程中仍能起到缓冲层的作用,能为随后的GaN纳米结构晶核的形成提供了模板和生长点。高温下氨气分解成NH2、NH、H2、N2等产物,固态Ga2O3与H2反应生成中间产物Ga2O,随后与体系中氨气反应首先得到GaN晶核,这些晶核落在合适的生长位置上,在作为下一个晶核生长的依托点,在特定的条件下(该实验条件)继续长成GaN微晶,当微晶的生长方向沿着相同的方向生长,就形成了单晶GaN纳米线、纳米棒、纳米颗粒。一维GaN纳米结构的生长机制可归结为气-固(VS)生长机制。5.较高质量的GaN的制备在Si衬底上利用磁控溅射系统制备GaN薄膜,结果表明:缓冲层的厚度对GaN影响很大,缓冲层太薄,则不足以完全疏解硅衬底和氮化镓外延层之间因晶格常数和热膨胀系数失配引起的应变,不利于GaN生长,从而使薄膜的晶化质量和表面形貌都不是很好;缓冲层太厚,则不能为GaN薄膜的提供表面平滑的生长面,从而也降低了薄膜的晶化质量和表面形貌。分析实验结果,生长GaN薄膜的最佳缓冲层厚度为15min。