GaN基光电子材料制备与性能分析.docx

兰州大学博士学位论文摘要 兰州大学博士学位论文 摘要 GaN基宽带隙半导体薄膜和纳米结构由于具有优良的光电性能，在半导体发 光器件、高频大功率和高温电子器件以及固态冷阴极器件等领域具有广阔的应用 前景，其制备与应用研究已经成为当今科学研究的热点和前沿，对这些材料的研 究具有极其重要的理论价值与现实意义。 本论文以宽带隙GaN半导体材料为主要研究对象，对GaN的制备工艺及稀土 掺杂等方面展开工作，对材料的结构、光学及电学特性进行了研究，取得了以下 几个方面的研究成果。 1．利用直流反应溅射方法在衬底温度为室温的条件下，成功制备了不同Ar 分压条件下的GaN薄膜。利用多种结构与性能分析手段对GaN薄膜的结构和光学 性质进行了表征。结果显示室温条件下制备GaN薄膜的结构为非晶，且红外吸收 峰主要为Ga-N键的伸缩振动；紫外．可见光谱结果显示，随着m分压的增加，透 过率减小，吸收边和光学带隙红移；同时还研究了Urbach带等光学性质，结果表 明a-GaN薄膜具有高的可见透过率和宽的光学带隙：室温光致发光结果显示GaN 薄膜在360rim处有一发光峰，对应于a-GaN的带．带跃迁发光，在可见光区没有观 测到黄绿光发射，说明a-GaN的带隙态密度是非常低的。此外，利用直流反应共 溅射方法在衬底温度为室温的条件制备了稀土(n、Er)掺杂的GaN薄膜，在室 温下，获得了薄膜在可见光区肉眼可见的稀土离子特征发光，并对稀土和基质之 间的能量传递过程进行了分析。制备的材料在薄膜发光材料领域具有潜在的应用 价值。 2．测量了a-GaN薄膜的MIS结构的在不同温度下的直流I．V曲线，结果表 明在Gab／MIS结构中，对直流电导输运起主要作用的是空间限制电流效应；变 温I．V曲线表明a-GaN薄膜呈现典型的半导体电导特征，并得到了a-GaN电导 激活能0．363 eV；利用Q．DLTS研究了深能级缺陷信息，结果表明缺陷的密度小 于1016cm～，能级位于0．35eV，这与变温I．V得到的电导激活能结果一致；测量 了a-GaN薄膜的光电导，获得的衰减常数远小于MOCVD生长单晶GaN的时闻 常数，说明a-GaN的带隙态浓度非常低；最后，研究了a-GaN薄膜的场发射性 能，发现a-GaN薄膜套良好的场发射性能，低的开启场秘较大盼发射电流，F-N 能，发现a-GaN薄膜套良好的场发射性能，低的开启场秘较大盼发射电流，F-N 曲线的非线性来源于低场下的热电予发射和高场下的隧穿发射。 3．利用氨还原法在不同还原温度下制备了GaN以及GaN：RE纳米颗粒。利 震XRD与TEM分褥了纳米颗粒能结构，对比分析发现稀±掺杂以后，晶粒尺 寸大幅度减小；Raman谱出现了两个被c刍空间群所限制的一阶Raman散射：251 与415 cm一，前者源于表面缺陷和尺寸限制效应，后者源于八面体Ga-N6结构的 振动；光致发光结果表明剩用简单氨还原法获褥了高结晶质量的GaN纳米颗粒， 利用EDS与XPS分析了其化学成分，结果表明所有的目标元素都出现了，N原 子百分比略大于Ga的原子百分比且N不完全成键，这些结果从侧面证实了Ga-N6 的存在；室温光致发光测量结果显示GaN：RE都具有很静静发光性能，这些为其 在电致发光工业领域的应用提供了科学依据，且稀士特征峰的强度随着还原温度 的升高丽增强，随着稀土浓度的增大，强度先增强后减弱，并分析了其原因；最 蜃，测量了发光的激发谱，结果显豕GaN：RE的吸收主要是GaN基质麴吸收。 关键词：GaN；光学性质；电学性质；稀土掺杂 Il 兰州大学博士学位论文Abstract 兰州大学博士学位论文 Abstract Gallium nitride(Gab／)has been considered to be the most promising optoclectronic material for many applications．GaN·based optoelectronic materials have been attracted much attention in the last decade．Preparation and characterization of GaN-based optoelectronic materials arc becoming one of the most important focuses in the fields of physics and material． In this thesis，preparation and properties of GaN were studied and results are listed as follows： (1)The GaN films we