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Mn掺杂Ga_2O_3薄膜的制备、结构和光学性能研究

作　者: 胡帆
导　师: 晁明举
学　校: 郑州大学
专　业: 光学
关键词: Ga2O3薄膜 Mn掺杂磁控溅射微观结构光学性能
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

Ga₂O₃是一种宽禁带半导体材料,禁带宽度（E_g）为4.2～4.9 eV,其导电性能和发光特性长期以来一直受到人们的关注。Ga₂O₃有5种晶体结构,包括α-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃、γ-Ga₂O₃、ε-Ga₂O₃、δ-Ga₂O₃。其中具有单斜结构的β-Ga₂O₃在室温下最稳定,在稀磁半导体、发光材料、气体传感器、GaAs太阳能电池的消反射涂层、深紫外透明导电氧化物材料以及氨化处理制备GaN高质量外延薄膜等方面有着广泛的应用。作为目前已知的禁带宽度最大的透明导电材料,β-Ga₂O₃在紫外和可见区透过率达80%以上,是一种潜在的紫外光电器件的电极材料和紫外探测材料。理论计算表明,Mn掺杂会在Ga₂O₃价带顶引入若干杂质能级,使其光学带隙变窄。控制Mn掺杂含量,可实现Ga₂O₃光学带隙的调节,有望制备出带隙可调的紫外探测器和对应不同波长的紫外滤光片。此外,Ga₂O₃掺Mn能够产生自旋极化,在室温或高于室温下具备铁磁性。因此,通过适当的制备工艺制备出高质量的Ga₂O₃薄膜,有望实现Ga₂O₃基高温稀磁半导体。Ga₂O₃薄膜的制备与现代镀膜工艺相容,通过适当的工艺控制和改性研究,制备出高质量、高性能的Ga₂O₃薄膜,对光电探测和自旋电子学等技术领域将具有重大意义。本文采用磁控共溅射法制备Mn掺杂Ga₂O₃薄膜,使用SEM、XRD、UV-vis分光光度计、椭圆偏振仪等对制备样品进行表征,研究了Ga₂O₃薄膜的制备工艺、退火温度和Mn掺杂含量对Mn掺杂Ga₂O₃薄膜的微观结构、光吸收性能以及光学常数的影响,主要结论如下:1.采用磁控共溅射法,可制备出接近化学计量比的Mn掺杂Ga₂O₃薄膜。本工作最佳工艺参数为:工件转速60 rpm,衬底温度200-250℃,背景真空1.3 Pa,氧分压0.6 Pa,溅射电压850 V,溅射电流0.2A。2.适当的热处理能够改善Mn掺杂Ga₂O₃薄膜的表面形貌、晶粒分布和晶体结构。（ⅰ）未退火Mn掺杂Ga₂O₃薄膜,晶粒较小、形状不一、分布不均匀;而退火后的Mn掺杂Ga₂O₃薄膜,晶粒增大,分布明显改善,表面平整度有很大提高。（ⅱ）未退火的Ga₂O₃薄膜为非晶态,退火后Ga₂O₃薄膜的结晶度明显提高。实验发现,γ-Ga₂O₃向β-Ga₂O₃转化的相变温度为600℃-750℃,750℃以上的温度有利于单斜晶系β-Ga₂O₃的定向生长。1000℃为比较合适的热处理温度。3.适量Mn掺杂能抑制Ga₂O₃薄膜的晶格膨胀,促进晶粒的定向生长,得到尺寸分布较均匀的多面体状β-Ga₂O₃晶粒。1.05 wt.%Mn掺杂可促进Ga₂O₃薄膜沿<-401>,<-202>,<111>和<401>方向生长,1.92、wt.%Mn掺杂可促进Ga₂O₃薄膜沿<-712>方向生长。过少或过多的Mn掺杂对促进薄膜的定向生长作用均减弱。4.随着Mn掺杂浓度的提高,Mn掺杂Ga₂O₃薄膜光学带隙变窄,吸收边红移,紫外波段吸收增强。掺杂前后的样品折射率均满足正常色散关系。Mn掺杂后Ga₂O₃薄膜的折射率与消光系数均有所增大。这表明,通过改变Mn掺杂含量可以调控Ga₂O₃的光学参数,在紫外滤光片、带隙可调的紫外光电探测器等方面有潜在应用价值。

Mn掺杂Ga_2O_3薄膜的制备、结构和光学性能研究

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