磁控溅射法制备氧化镓薄膜及其光电性质研究

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1、硕士学位论文磁控溅射法制备氧化镓薄膜及其光电性质研究PREPARATIONANDPHOTOELECTRICALPROPERTIESSTUDYOFGALLIUMOXIDETHINFILMSBYMAGNETRONSPUTTERINGMETHOD李少方哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号:TM23学校代码：10213国际图书分类号:31.密级：公开工学硕士学位论文磁控溅射法制备氧化镓薄膜及其光电性质研究硕士研究生：李少方导师：矫淑杰副教授申请学位：工学硕士学科：材料科学与工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedI

2、ndex:TM23U.D.C.:31.DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringPREPARATIONANDPHOTOELECTRICALPROPERTIESSTUDYOFGALLIUMOXIDETHINFILMSBYMAGNETRONSPUTTERINGMETHODCandidate：LiShaofangSupervisor：A/Prof.JiaoShujieAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceandEngineeringSc

3、hoolofMaterialsScienceandAffiliation：EngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要氧化镓作为宽直接带隙(禁带宽度~5eV)的半导体材料，由于其优秀的物理化学稳定性和优异的光电学特性，使其在高性能器件等应用领域具有广阔前景。本文利用射频磁控溅射方法制备了Ga2O3薄膜，后续通过高温退火固相结晶的方法实现β-Ga2O3薄膜的结晶。研究了制备工艺参数和后热退火处理对Ga2O3薄

4、膜性质的影响，从而提高薄膜质量，并在Ga2O3薄膜基础上制备了叉指电极，形成MSM型紫外光电探测器，分析探测器性能。本文的主要研究工作如下：(1)采用氧化镓靶材通过RF磁控溅射方法在蓝宝石(0001)衬底上沉积Ga2O3薄膜，分别探究不同工艺参数的影响，包括溅射功率、工作压强、氧氩比等。分析不同系列参数对薄膜的微观晶体结构、光电学特性等的影响。通过XRD、SEM、UV-Vis、PL等表征手段，研究分析薄膜晶体结构、结晶取向、形貌特征、晶粒尺寸、光学透过性、发光特性等信息。初步获得质量好的Ga2O3薄膜参数为溅射功率200W，工作压强1.2Pa，氧氩比4:38，生长溅射时间12

5、0min，后退火温度800°C，退火时间120min。(2)在Si(111)衬底上利用RF磁控溅射方法溅射沉积Ga2O3薄膜，由于清理后Si衬底极易氧化成非晶SiO2，降低Ga2O3薄膜的结晶质量，故在沉积之前需进行低氧缓冲层沉积，既可以避免a-SiO2形成又可减少Si与薄膜失配的影响。首先对低氧层参数变化对薄膜的性质影响进行了探索分析，得到较优沉积参数为工作压强1Pa，溅射功率100W，氩气流量42sccm，溅射时间60min。而后通过改变一系列基础工艺参数，研究分析发现溅射功率升高会使薄膜的结晶质量变好，且晶粒尺寸变大；压强对薄膜生长存在碰撞几率和氧气浓度两种机制作用，结

6、晶质量先变差后变好。溅射时间对薄膜的影响主要体现在厚度的变化，发现随着时间增多，厚度变大。随着退火温度升高，薄膜的结晶质量逐渐变好。(3)通过标准光刻和剥离技术在生长的氧化镓薄膜上制备叉指电极，形成MSM结构的日盲探测器。发现β-Ga2O3薄膜器件无明显响应。在30V偏压下，非晶a-GaO−1x薄膜探测器在258nm波长处出现光谱响应122.69μAW。为了增加薄膜的导电性，制备了不用溅射功率下掺Sn的Ga2O3薄膜，并在其基础上制备MSM型探测器，发现器件响应度提高，在200W时的Ga2O3:Sn薄膜器件的响应度、光电流达到最大，分别为41.3mAW−1、23.73mA。关

7、键词：氧化镓薄膜；射频磁控溅射；MSM型紫外探测器；光学特性-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractGalliumoxideasawidedirectband-gapsemiconductor(bandgapabout5eV),hasexcellentapplicationprospectsinthefieldofhighperformancedevicesowingtoitsexcellentphysicalandchemicalstabilityandexcellentphotoelec