【摘 要】
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氮化铟(InN)及其三元合金铟镓氮(InGaN)是性能优良的半导体材料,具有广阔的应用前景。通过调节InGa N组分中In和Ga的比例,可以实现禁带宽度在0.7 eV(InN)到3.4 eV(GaN)之间连续变化,被广泛用于太阳能电池、激光器和探测器领域。由晶体结构和组分决定的InGa N材料的性能是影响电子器件特性的重要因素,但是调控InGa N材料的晶体结构和组分一直存在困难,所以目前成熟的制
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氮化铟(InN)及其三元合金铟镓氮(InGaN)是性能优良的半导体材料,具有广阔的应用前景。通过调节InGa N组分中In和Ga的比例,可以实现禁带宽度在0.7 eV(InN)到3.4 eV(GaN)之间连续变化,被广泛用于太阳能电池、激光器和探测器领域。由晶体结构和组分决定的InGa N材料的性能是影响电子器件特性的重要因素,但是调控InGa N材料的晶体结构和组分一直存在困难,所以目前成熟的制备工艺仍以生长低In组分的InGaN为主,严重制约了光电器件在不同领域的应用。这是由于In和Ga原子半径相差较大,InN和Ga N之间的晶格失配高达10%左右,在热力学上存在着较大的混溶间隙,导致InGaN容易出现In偏聚和相分离的情况,影响了In组分的并入。卤化物气相外延(HCVD)是一种以容易升华的Ⅲ族卤化物作为源材料,实现氮化物半导体材料制备的方法,这种生长模式理论上可以减小InN与GaN之间的混溶间隙,有望实现高In组分InGaN材料的制备。目前关于HCVD制备InGaN材料的报道不多,本文采用自制的HCVD装置,以三氯化铟(InCl3)和三氯化镓(GaCl3)作为Ⅲ族源,在硅衬底上制备了InN和InGaN纳米材料,讨论生长工艺对InN及InGaN晶体结构和组分调节的影响。本文具体的研究工作和结果如下:(1)为了实现InN材料的可控生长,实验以InCl3为In源,通过自制的HCVD实现了InN在Si(111)衬底上的生长。探讨了生长温度与氨气流量对InN结构和形貌的影响。分析结果表明,固定NH3流量,随着生长温度的升高,InN形貌由分离的薄片状转变为交织的圆饼状,其中非极性(100)晶面取向性增强,晶体质量得到改善;保持生长温度恒定,增加氨气流量,InN形态由圆饼状转变为垂直的柱状,晶体取向从由非极性面(100)为主向极性(002)面为主的趋势转变。(2)为了研究InGa N形貌和组分的调控,在生长InN晶体的基础上,加入GaCl3作为Ga源,研究内置单管和双管两种输送Ⅲ族源方式下,InGa N晶体结构和组分的调控。研究结果表明,在内置单管输送Ⅲ族源方式下生长InGa N时,改变Ga源的放入含量,所有样品中的Ga含量较高,呈现为无定型的薄膜形貌,并且含有较多的Cl杂质,可以通过在载气中加入少量H2消除;而内置双管输送Ⅲ族源方式下生长InGa N时,将衬底置于In源出口处,改变Ga源的放入量可以实现InGa N组分的调节,In含量较高的InGa N表现为规整的柱状形貌。
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