（凝聚态物理专业论文）立方氮化硼薄膜的相变和光、电性能研究.pdf

摘要 摘要 在氮化硼系统中，立方氮化硼( c u b i cb o r o nn i t r i d e ，c b n ) 是集众多优异的 物理和化学特性于一身的超硬、宽带隙半导体材料。基于c b n 的高硬度和高热 导率、在空气中优异的高温抗氧化性、对铁族金属较低的化学活性、小摩擦系数， 高温高压( 硼m p ) 合成的c b n 单晶颗粒已经在刀具、磨具等机械加工领域得到广 泛应用。结合优异的机械性能，作为一种宽带隙半导体材料，c b n 在光电领域 的应用前景无限，尤其是在特殊环境下。在i i l - v 族化合物半导体中，c b n 光学 带隙最宽( e g 6 4e v ) ，使其在从紫外到可见再到红外很宽的光谱范围内都表 现出优异的光学透过率。因此，e - b n 在光学方面的应用范围非常广泛。相对于 金刚石，e - b n 更容易实现p 型与n 型掺杂，因此，c - b n 在透明、高温、高频、大 功率、抗辐射光电子器件方面具有广泛的应用前景。 高温高压制备的c b n 晶体颗粒的小尺寸严重限制了e b n 在制作刀具超硬涂 层以及光学、电子元器件等方面的应用。随着薄膜技术的迅速发展，研究者对高 质量c b n 薄膜制备方法和特性开展了较广泛的研究。针对目前国内外在c - b n 薄 膜方面的研究现状，本文在高质量c b n 薄膜的制备、相变路径和机理、高温光 学性能以及电学掺杂方面开展了一定的工作。 1 ) 分析了在b n 薄膜的沉积过程中可能的三种相变过程，得到从h b n 至i j c - b n 转变的一个可能途径：h b n - - , - r b n - - - c _ b n 。发现从h b n 到r - b n 的转变需要 克服一个很高的能量势垒，而r - b n 至i j c b n 的转变只需要克服一个很低的能量势 垒。b n 薄膜中存在的大量缺陷和杂质大大降低了从h b n 到r - b n 转变所需要的能 量，促进了薄膜中立方相的形成。 2 ) 基于对c b n 薄膜沉积过程中相变路径的分析，分离c b n 的成核与生长阶 段，改良传统的c b n 薄膜射频溅射制备工艺，提出了“三步法 制备工艺，实 现了立方相含量高、粘附性强的c b n 薄膜的可重复性制备。 3 ) 对b n 薄膜进行了氮气保护高温退火处理。发现了由h b n 至u c b n 再到 h - b n 的连续的可逆相变过程。由h b n 到c b n 的最佳相变温度为9 0 0 a c 。在此基础 上，发展出一种立方相含量高、粘附性强的c b n 薄膜的可重复性制备方法。同 时，观察到以正交相氮化硼( e - b n ) 为中间媒介相，由h b n 至i j e b n 再到c b n 兰州大学理学博士学位论文 的阶梯式的间接相变路径。含有大量结构缺陷的h b n 以及面间隙缺陷的存在对 于h b n 至i c b n 的相变起到了关键的作用。 4 ) 在熔融石英衬底上成功制备出光学带隙达5 9 7e v 的h b n 薄膜。该值是迄 今对h b n 薄膜光学性能报道中的最大值。发现h b n 薄膜的光学吸收行为符合非 晶半导体典型的吸收特性。从实验上证实了之前研究者对h b n 光导的计算结果。 进一步揭示了b n 薄膜中立方相含量和光学性质的高温( 7 0 0 - 9 0 0 0 c ) 依 赖关系。发现随着退火温度的增加，薄膜的光学吸收边界逐渐向高能量方向移动。 光学吸收特性的变化是高温退火产生的薄膜应力松弛和结构相变共同作用的结 果。通过u r b a c h 带尾模型对薄膜吸收系数和光子能量关系的拟合，确定了薄膜的 u r b a c h 能( 岛) 。发现随着退火温度的增加，b n 薄膜逐步向高密度相c b n 转变， 折射率逐渐增大，光导的突增阈值也逐渐向高能量移动。 5 ) 用离子注入方法在b n 薄膜中注入了b c 。掺杂后的b n 薄膜电阻率降低了 3 6 个数量级。电阻率随b e 注入剂量的增大而减小，随退火温度的升高而降低， 随立方相含量的增大而增大。纯六角氮化硼薄膜电阻率要比有立方相含量的b n 薄膜电阻率低2 个数量级。z n 离子注入掺杂实验表明，掺杂后的c b n 薄膜电阻率 降低了4 5 个数量级。大剂量( 1x1 0 1 6i o n s c m 2 ) z n 掺杂的c b n 薄膜与a g 电极 可形成较理想的欧姆接触。 关键词：立方氮化硼薄膜；溅射：退火；相变：离子注入 a b s t r a c t i nb o r o nn i t r i d es y s t e m ，c u b i cb o r o nn i t r i d e ( c - b i sas u p e r h a r da n dw i d e b a n d g a ps e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lw i t ht h eu n i f i c a t i o no fa s s o r t e de x c e l l e n tp h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s t h ec - b nc r y s t a l s y n t h e s i z e db yh i g hp r e s s u r eh i g h t e m p e r a t u r em e t h o d ( h p h t ) h a v eb e e nw i d e l yu s e df o rc u t t i n ga n dm i l l i n gt o o l sd u e t oi t se x t r e m eh a r d n e s s ( 一7 0 g p a ) a n dh i g l lt h e r m a lc o n d u c t i v i t yw h i c ha r eo n l y s e c o n dt od i a m o n d ，o u t s t a n d i n go x i d a t i o nr e s i s t a n c ei na i ra th i g ht e m p e r a t u r e ，a n d h i g hc h e m i c a li n e r t n e s sa g a i n s tf e r r o u sm e t a l s a l lt h e s ep r o p e r t i e sm a k ec b nm o r e d e s i r a b l et h a nd i a m o n di nn u m e r o u st o o l i n ga p p l i c a t i o n s c o n s i d e r i n gi t se x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c - b ni sv e r ya t t r a c t i v ei no p t i c a la n de l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n sa s aw i d eb a n dg a ps e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l ，e s p e c i a l l yi ns p e c i a le n v i r o n m e n t m o r e o v e r , b e c o u s ec - b nh a st h ew i d e s t o p t i c a lb a n dg a p ( 6 4e v ) i nl i i _ vc o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s ，i te x h i b i t sg o o dt r a n s m i t t a n c eo v e raw i d er a n g ef r o mu vt ov i s i b l e a n du pt oi n f r a r e ds p e c t r a t h u s ，c b ni ss u i t a b l ef o rab r o a dr a n g eo fo p t i c a l a p p l i c a t i o n s ，s u c ha su vd e t e c t o r s ，s h o r tw a v e l e n g t he m i t t e ro rd e t e c t o r , a n d p h o t o v o l t a i cc e l l ，a sw e l la ss u p e r - h a r dp r o t e c t i v ec o a t i n g sf o ro p t i c a lc o m p o n e n t sa n d o p t i c a lw i n d o w s f u r t h e r , c - b n c a nb e d o p e d f o rb o t hn - a n dp - t y p e c o n d u c t i v i t y e a s i l y ，s oc - b ni s av e r yp r o m i s i n gm a t e r i a lf o rf a b r i c a t i o no fh i 【g h t e m p e r a t u r e ，h i g hp o w e r , h i i g hf r e q u e n c ea n dt r a n s p a r e n td e v i c e so p e r a t i n gi nh a r s h e n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h es m a l ls i z eo fc - b nc r y s t a l ss y n t h e s i z e db yh t h pm e t h o dh a s l i m i t e db n a p p l i c a t i o n sa sap r o m i s i n gm a t e r i a li no p t i c a l ，e l e c t r i n i cc o m p o n e n t sa n d d e v i c e s ，a n ds u p e r - h a r ds u p e r - h a r dc o a t i n g sf o rc u t t i n gt o o l sa sw e l l b a s e do nt h e g r e a td e v e l o p m e n t so ft h i nf i l ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t of u l l ye x h i b i tt h ee x c e l l e n t p r o p e r t i e so fc b n ，t h es t u d i so fp r e p a r a t i o nm e t h o d sa n dp r o p e r t i e so fh i g h q u a l i t y c - b nf i l m sh a v e b e e nr e a e a r c hf o c u sa n dd i f f i c u l t yi nt h es c i e n t i f i cf i e l d s c o n s i d e r i n gi s s u e sa b o u tt h ep r e s e n td e v e l o p i n gs t a t e o fc - b nt h i nf i l m ，t h e d i s s e r t a t i o ni sa i m e da tt h ec o n v e n i e n tp r e p a r a t i o n ，m e c h a n i s ma n d p a t h w a yo fp h a s e t r a n s f o r m a t i o n s ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ，a n dd o p i n go fc - b nf i l m s t h em a i nr e s e a r c h p r o c e s s e sa c h i e v e dh a v eb e e ns u m m e du pa sf o l l o w i n g ： m 兰州火学理学博尘学位论文 1 ) p h a s et r a n s i t i o n sa m o n gt h ep o i ) r t y p e so fb o r o nn i t r i d e sd u r i n gp r e p a r a t i o no f c - b nt h i nf i l ma r es t u d i e df r o me n e r g ya n ds t r u c t u r ea s p e c t s cp a t h w a yf r o mh b n t oc - b ni sa n a l y z e d ，n a m e l y ：h - b n f - b n - c b n i ti ss h o w e dt h ee n e r g yb a r r i e ri s v e r yh i g hi nt r a n s f o r m a t i o nf r o mh b n t or - b n ，b u ti ti sv e r yl o wf r o mr - b nt oc b n i nf a c t ，d e f e c t sa n di m p u r i t i e si nc - b nt h i nf i l m sm i g h tf a v o r a b l yd r i v et h e t r a n s f o r m a t i o nf r o mh - b nt oc - b n d e f e c t sa n di m p u r i t i e sc a nr e d u c et h ee n e r g y b a r r i e rf o rt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mh b nt of b n 2 ) b a s e do n f u r t h e ru n d e r s t a n d i n go fm e c h a n i s ma n dp a t h w a yo fp h a s e t r a n s f o r m a t i o n sa n dd i v i s i o no fn u c l e a t i o na n dg r o w t hp r o c e s si nt h ec - b nf i l m d e p o s i t i o n ，w ea d j u s te x p e r i m e n t a lp a r a m e t e ri nn u c l e a t i o ns t a g et od e v e l o pan e w a n di m p r o v e dm e t h o d ( t h r e e s t e pa p p r o a c h ) t oa c h i e v e r e p e a t a b l ep r e p a r a t i o no fc - b n f i l m sw i t hh i g hc u b i cp h a s ec o n t e n ta n de n h a n c e da d h e s i o n 3 ) t w og r o u p so fr f s p u t t e r e db nf i l m s ( p u r eh e x a g o n a lp h a s ea n da p p r o x 。 2 7 5 c u b i cc o n t e n t ，r e s p e c t i v e l y ) w e r ea n n e a l e da t6 0 0t o1 0 0 0q cu n d e rn i t r o g e na t a t m o s p h e r i cp r e s s u r ea f t e rd e p o s i t i o n f t i rs p e c t r o s c o p yi n d i c a t e sar e v e r s i b l e t r a n s f o r m a t i o nf r o mh e x a g o n a lp h a s et oc u b i cp h a s e ，a n da g a i nh e x a g o n a lp h a s e t h e m o s te f f e c t i v et e m p e r a t u r ef o rh b nc o n v e r t i n gt oc - b ni s9 0 0q c f u r t h e r , t h e i n d i r e c tt r a n s f o r m a t i o nb yas t e p w i s ep a 氇f r o mh - 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b n f i l m sa r ec o n f i r m e di no u re x p e r i m e n t a lr e s u l t s 一一 5 ) t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h ec u b i cp h a s ec o n t e n t a n do p t i c a l p r o p e r t i e so fb o r o nn i t r o g e n ( b n ) t h i nf i l m sw a ss t u d i e di n t h i ss e c t i o n t h eo p t i c a l a b s o r p t i o ne d g es h i f tt ot h eh i g he n e r g yw i t ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s ei n d i c a t e s t h a tt h ef i l mo p t i c a lb a n dg a pe gb e c o m e sl a r g e t h ec h a n g ei nt h eo p t i c a la b s o r p t i o n p r o p e r t i e sr e s u l tf r o mt h es t r e s sr e l a x a t i o na n dp h a s et r a n s f o r m a t i o no w i n g t ot h eh i 。g h t e m p e r a t u r ea n n e a l i n g s t h ed e p e n d e n c eo fao nt h ep h o t o ne n e r g yi sf i t t e db yt h e u r b a c ht a i lm o d e li no r d e rt od e t e r m i n et h eu r b a c he n e r g ye o i na d d i t i o n ，i ti sf o u n d t h a tr e f r a c t i v ei n d e xne x i t sc l e a r l yd i f f e r e n td e p e n d e n c e so nt e m p e r a t u r ei nv i s i b l e a n du l t r a v i o l e tr e g i o n ，a n dt h eo p t i c a lc o n d u c t i v i t yst h r e s h o l dm o v e st oh i g he n e r g y w i t hi n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e si nt h et h r e s h o l dr e g i o n 6 ) t h ec - b nt h i nf i l m sw e r ed e p o s i t e do ns is u b s t r a t e su s i n gt h ec o n v e n t i o n a l r a d i o f r e q u e n c ys p u t t e r i n gs y s t e m t h ec - b nt h i nf i l m sa r ed o p e db yi m p l a n t i n gb e i o n si n t ot h e m t h es u r f a c er e s i s t i v i t yo fb nt h i nf i l m st h a tw e r ee m b e d d e da n d a n n e a l e di sl o w e r3 - 6o r d e r so fm a g n i t u d et h a nt h a to fi n t r i n s i cc - b nt h i nf i l m s t h e s u r f a c er e s i s t i v i t yo fb nt h i nf i l m si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fi m p l a n t a t i o nd o s e i nc - b nt h i nf i l m so rt h ea s c e n to fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo rt h ed e c r e a s i n go fc u b i c p h a s ec o n t e n ti nb nt h i nf i l m s i nt h es a m ec o n d i t i o n ，t h er e s i s t i v i t yo fh - b nt h i n f i l m si sl o w e r2o r d e r so fm a g n i t u d et h a nt h a to fc - b nt h i nf i l m s ( c u b i cp h a s ec o n t e n t i sn o te q u a lt oz e r o ) k e y w o r d s ：c u b i cb o r o nn i t r i d ef i l m ；s p u t t e r i n g ；a n n e a l i n g ；p h a s et r a n s f o r m a t i o n ； i o ni m p l a n t a t i o n v - 兰州大学理学博士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产 权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论 文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸 质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名 单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：霪幽师签名：、至主墨王日期垃g ，r 兰州大学理学博士学位论文 兰州大学研究生学位论文电子版使用授权书 立方氮化硼薄膜的相交和光、电性能研究是本入在兰州大学攻读博士口 顾士口学位的毕业论文，现已通过答辩。本人作为此论文的著作权人，同意向 兰娴大学图书馆提交该论文的电子版和印刷本各一份。 根据中华人民共和国著作权法的规定，本人授权兰州大学图书馆对该论 文惫子版享有以下权力：( 同意者画) 1 、同意提交全文。可以在提交 半年( 公开 昭一年( 秘密) 口 二年( 机密) 口三年( 绝密) 口 期限之后，由图书馆在校园踺上提供全文测览。 2 、本人论文解密之后，同意向“c a l i s 高校学位论文全文数据库提交： 论文标题、提要和论文前1 6 页吻论文全文口 3 、不同意提交电子版论文口。( 选此项者，须由作者本人出具不能公开 证明，导师签字，院系所加盖公章。) 图书馆承诺： 1 、不对论文从收集、保存、发毒意外的其他活动； 2 、未经著作权人同意，不得从事营利性活动。 隰砌镪糊妖猎睨学号：。艿勿厂；。2 否 作者( 授权人) 签名： 鲐撇时间：如7 ，d6 ，7 被授权人：兰州大学图书馆 关于学位论文向。c a l i s 高校学位论文全文数据库”授权的说明 随着网络和计算机技术的发展，近几年来在国际范围内进行着一种大学范围内的学术资 源共建、共享运动，强的楚健进学零团体内学术资源的交流移使用。 “c a l i s 高校学位论文全文数据库”是教育部支持的高等教育文献保障体系( c a l i s ) 的一个学位论文共建共享项目。目的是为中国高校范围内的读者通过网络利用博硕士学位论 文信意提供途衽和保障。参加c a l i s 学位论文库建设的成员单僚( 约- 鑫所大学) 之溷霹免费 检索浏览获得授权的论文全文。在获得作者授权方面， c a l i s 高校学位论文全文数据库”采 用作者自愿的原则，作者是否授权究全由自己决定。 作者授权绘“c a l i s 学位论文全文数据库”最享有的权益有：1 ) 提高学位论文的使用率， 在更 “的范酮内被检索浏览，提高论文的影响力；2 ) 授权在“c a l i s 学位论文全文数据痒” 发布论文全文的作者，可k 期免费检索浏览该库收录的论文全文；3 ) 对检索浏览率高的论文 推荐i h 版社正式出版。 访闷遗址：h t t p ：e t d 。c a li s e d u 。e n h 一 第1 章绪论 1 1 宽带隙半导体研究 第1 章绪论 半导体材料与技术是现代高新技术的核心代表，由此诞生并逐渐壮大的半导 体产业作为为推动电子信息产业前进的原动力，已成为二十一世纪全球最具活力 与潜力的产业，是世界公认的战略性产业之一。二十世纪5 0 年代，以硅( s i ) 为代表的第一代半导体材料的研究和应用获得突破性进展，晶体管、集成电路 ( i c ) 相继出现，笨重、耗能的电子管很快退出了历史舞台。半导体材料逐渐应 用于信息处理、自动控制等领域，人类社会因此拉开了新的历史篇章信息 ( r r ) 时代。半个世纪以来，以集成电路为核心的微电子工业发展迅猛，半导体 制造技术的发展仍然神奇地延续着著名的“摩尔定律( m o o r e st a w ) 。目前， 硅材料仍然是电子信息产业最主要的半导体材料，尤其在集成电路和上世纪9 0 年代发展起来的微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ：m e m s ) 中， 9 0 以上用的仍是硅基半导体材料。 随着半导体技术的进步，硅基半导体器件的性能已逐渐接近硅材料的理论极 限，但军事、民用中各领域的发展仍不断对半导体器件提出新的应用需求，譬如 要求有更高的工作温度、功率、频率、硬度、化学稳定性、耐酸碱腐蚀性、抗辐 射、耐高压，可见光透过率以及更短波长的光发射和探测等，硅基器件已经难以 满足这些要求。由于硅带隙较窄( 1 1 2e v ) 、紫外可见不透明、电子迁移率不高、 熔点较低、耐腐蚀性差等，从根本上限制了许多特殊环境下使用的高性能光电子 与微电子器件的研发和应用。要从根本上提升器件性能，研发性能更优异的半导 体材料势在必行。 二十世纪9 0 年代以来，随着移动无线通信的飞速发展和以光纤通信为基础 的信息高速公路与国际互联网的兴起，以砷化镓( g a a s ) , n 磷化铟( i n p ) 为代表的第 二代半导体材料开始崭露头角。g a a s 的电子迁移率( 8 5 0 0c m 2 v - 1 s - 1 ) 是s i ( 1 3 5 0 - - - 1 4 5 0c m 2 v - 1 s - 1 ) 的6 倍多，并且具备直接带隙( & = 1 4 3e v ) ，是目 前最主要的高速和超高速半导体器件材料，已被广泛应用于光电子和微电子领 冀州人掌艘学博卜学位论义 ! i ! i ll ,i, 1 1 1 i i i i i i i i ii ii i i i ，燃竺! 曼舅 域。在竞耄予领域，低隘、祗德错豹g a a s 酉壹接研割光电子器彳孛，如高亮度红 色发光二极管( l e d ) 、可见光激光器、近红外激光器、壁子阱大功率激光器、 红抖探溺器鞠商效太阳能电池等；在徽毫子领域，瑷半绝缘砷讫镓i g a a s ) 为基 体，用直接离予注入自对准警磷工艺研制的g a a s 高速数字电路、微波单片电路、 光毫集成电路、 羲嗓声及大功率场效应晶体管，巽有速发快、频率高、低功耗和 抗辐射等特点。因此，g a a s 在国防、民用和因民经济信息化建设中具有鬟要应 用价值。蠡予良好酌商频高速等特性，l n p 俸淹光纤通讯羽关键光电部件包括激 光源、光终放大器、多路复用葶鞋信号分离器件等也经历了圊g a a s 类似的快速发 震。 基于第一、第二代半导体材料酶器件穰瓣在藤溢嚣境下运行，特裂蹩在大功 率、高频以及强辐射场并存时。因此，在继第一代g e 、s i 半导体材料与第二代 馥姨s 、i n p 等证合物半导体材料之薏，避年来，嚣蠹癸许多研究者都致力予链笺 更加优异的第三代半导体材料的研究。第三代半导体材料县有比s i ( & = 1 1 2 e v ) 藕g a a s ( 1 4 3 e v ) 大褥多翳繁隙宽度2 e v ) ，西就竣称海宽带隙半导体材糕， 主要包括氮化镓( g a n ) 、碳化硅( s i c ) 、氧化锌( z n o ) 、氮化铝( a 1 n ) 、金刚 荔帮氮纯鹱( b n ) 等。较竟熬繁隙搜这些材辩具有弱酶本征激发，大豢赛击穿 电压，很宽波段良好的透过、可发射及探测短波长光等诸多特殊性能。此外，多 数宽带酴半导体材辩其备嘉鲍邀予德翻漂移速度、高热导搴、赛硬度寨遮众鳃拖 学稳定性，这魑卓越的物理、化学性能使它们成为制作大功率、商温、高频、抗 辐射、耐褰饿器磐，蓝、绿发巍二辍警( l e d ) ，餐波激光器强 戮及蘩井探爨 器的理想材料，成为解决半导体器件发展应用雉题的基础，在通信、汽车、航空、 靛天、石油器栗等各个领域具有广潮楚应蘑翦景翳。 与硅器件在发展初期受制于高晶成材料生长与加工披术一样，宽带隙半导体 嚣斡翡应震研发一童避震缓浸。直到二十登纪瓣年戴米粥年代初，g a n 舅质 外延技术和s i c 单晶生长技术获褥突破，宽带隙半导体材料和器件的应用研究才 开始逐速发震，萁率激g a n 和s i c 最为藏熬滔。采焉s i c 暑蠢g a n 为基体材料裁 作的功率器件和光电子器件已经进入商业应用，并且表现出明显的性能优势。近 年来，裙关熬研究翥论文数量瞧随之抉速增黧，接动了宽带豫半导体材料与器件 的加速发展。 第1 苹绪论 g a n 是一种极性晶体，g a 元素和n 元素之间的电负性( g a = 1 1 3 ，n = 3 0 0 ) 差异较大，导致在g a n 材料中存在很强的化学键，是g a n 具有许多独特理化性 质的根源，这也是族氮化物( g a n 、a i n 、i n n 、a i g a n 、g a l n n 、a l l n n 和a i g a l n n 等) 所具有的共同特性。i 族氮化物几乎都是宽带隙半导体材料( e g 2 e v ) ， 由二元i i i 族氮化物i n n ( 1 9 e v - - 一6 5 0 n m ) ，g a n ( 3 4 e v - - 一3 6 5 n m ) ，a i n ( 6 2 e v 2 0 0 n m ) 组成的合金可以覆盖整个可见光区和近紫外光区。另外，g a n 具有较高 的热导率和介电常数，高的电子饱和速度和化学稳定性，因此，在高温电子器件、 大功率微波器件、短波发光器件和探测器方面应用前景广阔。在光电子器件方面， 1 9 9 3 年，g a n 材料的p 型掺杂取得突破【3 , 4 1 ，g a n 基材料便成为蓝、绿发光材料 的研究热点。目前，g a n 基蓝、绿发光二极管( l e d ) 己商品化，g a n 基激光 器件( l d ) 也有商品出售，最大输出功率为0 5 w 。在微电子器件方面，g a n 基 场效应管( f e r ) 的最高工作频率( ) 已达1 4 0 g h z ，f t = 6 7 g h z ，跨导为2 6 0 m s m m ；2 0 0 0 年，日本s u m i t o m o 电子工业有限公司宣称，他们采用热力学方法 研制成功了2 英寸g a n 单晶材料，这有力地推动了蓝光激光器和g a n 基电子器 件的发展。h e m t 器件相继问世，发展迅猛；2 5 6 2 5 6g a n 基紫外光电焦平面 阵列探测器也已研制成功。 以c r e e 公司为代表的s i c 体单晶的研制取得了突破性进展。2 英寸的4 h 和6 h s i c 单晶与外延片，以及3 英寸的4 h s i c 单晶己有商品出售。以s i c 为衬 底的g a n 基蓝、绿光l e d 己上市，成为蓝宝石衬底g a n 基发光器件的主要竞 争对手。其它s i c 高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是 s i c 材料中的缺陷密度高，并且价格昂贵1 5 1 。s i c 导热性能是s i 材料的3 倍以上， 在相同反压下，s i c 器件的击穿电场强度比s i 器件要高出1 0 倍，而内阻仅约为 s i 的1 。一般情况下，s i 器件的工作温度在1 5 0 以下，g e 器件最高的工作 温度只有9 0 ，而s i c 器件可在6 0 0 的高温下正常工作。s i c 肖特基二极管是 速度最快的高压肖特基二极管，无需反向恢复充电，可大幅降低开关损耗，提高 开关频率，相比硅基肖特基二极管，其操作电压范围高出许多。 z n o 基宽带隙半导体材料具有很高的激子束缚能( 6 0 m e v ) ，是蓝紫光室温 激子器件的首选材料。z n o 纳米线光泵受激紫光发射和最近z n o 同质p n 结发 光二极管以及z n o 单晶衬底的研制成功，引起了人们的广泛兴趣和研究热潮。 一3 一 兰州人学瑚举博 j 学位论文 z n o 攀晶材料韵制备技术有水热法、高压熔体法、气辎输运法等。永热法生长的 z n o 单晶的纯度高，最大尺寸已达3 英寸，但生长速度低。高压熔体法的最大优 点怒拉晶速度高( 8 - - l o m r r d x ) ，已挝出直径2 英寸z n o 擎晶，室温电子浓度 为5 0 4x1 0 1 7 c m 3 ，电子迁移率为1 3 1 c m 2 v s ，x 射线双晶衍射半离宽为1 2 5 弧秒， 设备投入大是其不足。气耜输运法生长速度介予上述两者之闻，业已生长如直径 4 5 m m 的z n o 单晶。z n o 薄膜的制备技术很多，主要有金属氧化物化学气相沉 积( m o c v d ) 、分予束乡 延( m b e ) 、磁控溅射和激光束沉积技术以及溶胶凝 胶法等。目前绝大多数的z n o 薄膜都憝生长在蓝宝石衬底上，来掺杂的z n o 均 为电子型( n 型) 导电，背景电子浓度可高达1 0 1 s e r a 3 。目前已制备出的、质量 较高的z n o 薄膜的电子浓度约1 0 1 6 c r t l 3 ，电子迁移率在1 5 0 c m 2 n s 左右。存在 的主要离题是高质量单晶薄膜制备，特剐是稳定、高浓度的p 型掺杂困难。经过 多年的探索研究，人们在对z n o 的p 型掺杂机理有了比较深入了解的基础上， 目前已能获得稳定的、空穴浓度为1 0 1 7 c m 3 的p 型z n o 薄膜材料，结合m g z n o 和b e z n o 等三元合金制备取褥的进展，已实现了室温z n o 基l e d 的蓝、紫色 发光，并观察到来自z n o b e z n o 和z n o m g z n o 异质结构或量子阱