Beta-氧化镓单晶薄膜的外延生长及性质研究

采用MOCVD方法外延生长beta-氧化镓单晶薄膜材料。衬底拟选用氧化镁、钆镓石榴石等和氧化镓单晶材料。系统地研究在单晶衬底上异质外延生长氧化镓薄膜的晶格适配问题，寻找生长氧化镓薄膜的最佳衬底和制备工艺条件；研究在氧化镓单晶基片上同质外延生长氧化镓单晶薄膜的最佳晶面和工艺条件；研究薄膜的晶格结构、缺陷及其对光电和光致发光性质的影响；研究氧化镓薄膜的掺杂性质及掺杂机理；研究氧化镓薄膜的能带结构和发光机制。与氮化镓和氧化锌相比较，氧化镓材料具有更宽的带隙（4.9eV）和物理化学性能稳定的特点，而且不同元素掺杂的氧化镓材料可以发射出红、绿、蓝、紫外等不同波长的光，是一种很有前途的宽带隙半导体光电材料。性能优良的单晶氧化镓外延薄膜材料在透明电子器件、白光照明、紫外发光器件、紫外探测器和深紫外透明导电等领域有着极其广阔的应用前景。对氧化镓外延薄膜材料进行系统地研究，将为该材料的实际应用奠定基础。

β-Ga2O3材料虽然在很多领域有着广泛的应用，但由于传统方法制备的薄膜材料的结构和性能比较差，限制了其在实际中的应用。系统地研究制备性能优良的单晶氧化镓外延薄膜将为该材料在透明电子器件、紫外光发光器件、紫外探测器等领域的实际应用奠定基础。采用MOCVD方法外延生长氧化镓单晶薄膜材料，衬底选用MgO、MgAl2O4、MgAl6O10、蓝宝石和β-氧化镓单晶材料。系统地研究了在单晶衬底上异质外延生长氧化镓薄膜的晶格适配及最佳制备工艺参数；研究了氧化镓薄膜的晶格微结构、外延机理和外延关系、光电性质和光致发光特性及发光机制。在MgO不同晶面衬底上均制备出高质量的β-氧化镓单晶薄膜，确定了最佳制备工艺参数、晶格结构和外延关系。提出了MgO衬底上生长β-Ga2O3薄膜的外延关系原理图，阐明了薄膜内部畴结构。制备的样品在可见光范围内的平均透过率均超过了78%，薄膜的光学带隙在4.72–4.92 eV之间。此外，对制备β-Ga2O3 薄膜的光致发光谱进行了测试，并对其发光机制进行了解释；在MgAl6O10 (100) 衬底上生长的外延薄膜在室温下得到300到650 nm的紫外-绿色以及在275nm处的深紫外光致发光峰，研究薄膜的结构、缺陷及其对发光性质的影响，研究了外延机理和发光机制。XRD分析表明，在650ºC沉积的膜是具有单一取向的纯β相氧化镓薄膜，取向为β-Ga2O3 (100) || MgAl6O10 (100)。提出了一个简化的模型解释了光致发光的机制。在蓝宝石不同晶面衬底上制备出α和β相的氧化镓薄膜，研究了薄膜的结构和退火处理的影响。分析结果表明，当其他实验条件均相同时，在650 °C的衬底温度下，α-Al2O3(0001)衬底上生长出结晶质量最好的β-Ga2O3薄膜； 700 °C时，在α-Al2O3 (10-10)衬底上制备出结晶质量最好的α-Ga2O3薄膜。将650 °C温度下不同衬底上制备的样品在900 °C下退火1h，在a面和m面上，退火使晶粒变大，c面和r面上，退火之后结晶质量变差；成功的在单晶β-氧化镓(100)晶面上同质外延生长出β-氧化镓膜，研究其结构和制备工艺参数；研究了锡、铟和镁掺杂氧化镓薄膜的微观结构、光电性质和光致发光特性及发光机制，以及制备条件对薄膜性质的影响。