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第１５卷第２期山东交通学院学报Ｖ０１．１５Ｎｏ．２

２００７年６月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＤＯＮＧＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＪｕｎ．２００７

Ｓｉ基扩镓溅射Ｇａ２０３反应自组装ＧａＮ薄膜

孙振翠，原所佳，孙海波

（山东交通学院数理系，山东济南２５００２３）

摘要：采用射频磁控溅射工艺在预沉积和预沉积后再分布的扩镓ｓｉ基上溅射Ｇａ２０，薄膜氮化反应组装ＧａＮ薄

膜。用红外透射谱（ＦｒＩＲ）、Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、扫描电镜（ＳＥＭ）、选区电子衍射（ＳＡＥＤ）和荧光光谱（ＰＬ）对样

品进行组成、结构、形貌和发光特性的分析。测试结果表明：采用此方法得到六方纤锌矿结构的ＧａＮ薄膜。同

时显示预沉积的扩镓硅基较预沉积后再分布的扩镓硅基更适合ＧａＮ薄膜的生长。

关键词：Ｇａ２０３薄膜；ＧａＮ薄膜；射频磁控溅射

中图分类号：ＴＮ３０４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－００３２（２００７）０２－００４１—０５

作为第三代半导体材料的代表，ＧａＮ和其它Ⅲ族氮化物是近年来光电子材料领域研究的热点。ＧａＮ

具有３．４ｅＶ宽直接带隙、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好等特点，被广泛地应用于制作各

种高亮度蓝、绿光发光二极管、蓝色激光器和紫外探测器，也非常适合于制作抗辐射、高频、高温大功率和

高密度集成的电子器件］。由于大尺寸ＧａＮ的生长极为困难，在异质衬底上外延ＧａＮ薄膜就成为研

究ＧａＮ材料与器件的主要手段。截止到目前，ＧａＮ薄膜已在Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＭｇＡＯ，ＳｉｌＣ，ＺｎＯ以及各种取

向的蓝宝石衬底上获得。ｓｉ单晶具有质量高、价格低、易于解理、容易制作电极、在高温下不易分解等优

点，而且人们对硅基电路的研究已比较透彻，因此是最具潜力的衬底材料。目前硅基生长ＧａＮ薄膜的主

要困难是：１）Ｓｉ与ＧａＮ的晶格常数失配和热膨胀系数失配大；２）Ｓｉ与ＧａＮ之间的浸润性差；３）在生长氮

化物过程中容易形成ｓｉＮ。因此，很难直接在硅基上制备出高质量的ＧａＮ单晶儿∞。为了克服这些困

难，两步生长技术已被广泛采用：即在ｓｉ衬底和ＧａＮ薄膜之间插入一层缓冲层Ａ１Ｎ＿４－６］，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，

ＢＮ］ＢＰ［１。。ｓＮ¨ＧａＮ，结果表明此缓冲层可以有效地消除或减少衬底与ＧａＮ由晶格常数

，，，

与热膨胀系数的失配引起的应变。Ｐ．Ｃｈｅｎ等报道采用Ａ１Ｎ做缓冲层，首先在ｓｉ衬底预沉积一层Ａｌ，然

后再进行氮化，能有效地抑制ｓｉ的氮化Ｊ。ｌ

采用射频磁控溅射工艺在预沉积和预沉积后再分布的扩镓ｓｉ基上溅射ＧａＯ，薄膜氮化反应组装

ＧａＮ薄膜，即在ｓｉ基上扩一层Ｇａ作为籽晶层，此籽晶层不仅抑制了ｓｉ的氮化，且在氮化过程中氮化为

ＧａＮ作为生长外延ＧａＮ的缓冲层，相应提高了晶体膜的质量。同时显示预沉积的扩镓硅基较预沉积后

再分布的扩镓硅基更适合ＧａＮ薄膜的生长。

１实验方法

实验前首先利用高温扩散炉在ｓｉ基上扩一层Ｇａ作为籽晶。为了进行比较，实验采用预沉积

４０ｒａｉｎ和预沉积４０ｒａｉｎ后再分布２ｈ的扩Ｇａ硅基作为衬底，用两步生长模式来生长ＧａＮ薄膜，分别记为

样品Ａ和Ｂ。

第１步，用ＪＣＫ－５００Ａ射频磁控溅射仪生长ＧａＯ，薄膜。溅射靶为ＧａＯ，（纯度为９９．９９９％），工作气

体为高纯Ａｒ气（９９．９９９％）和Ｎ气（９９．９９９％）。背景真空度为６×１０一Ｐａ。室温下溅射时，真空室的气

收稿日期：２００６－０４－２４

基金项目：国家自然科学基金资助项目；山东交通学院资金资助项目

作者简介：孙振翠（１９７５一），女，山东菏泽人，山东交通学院助教，理学硕士，主要从事大学物理、大学物理实验的教学工作