納米AlGaN的發(fā)光特性研究

1、沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘要AlGaN是一種重要半導(dǎo)體光電材料，具有最高的直接帶隙，高熱導(dǎo)率，高熔點(diǎn)，高硬度，低膨脹系數(shù)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和無(wú)毒性等特點(diǎn)1。采用化學(xué)氣相沉積法，在較低工藝溫度下將金屬鋁粉直接氮化合成纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN納米線和鎵摻雜的AlGaN納米線。分別用拉曼光譜儀(Raman)、掃描電子顯微鏡(SEM) 和能譜對(duì)AlN納米線的形貌和光學(xué)性能進(jìn)行表征。比較、分析光致發(fā)光光譜，定性的探討AlGaN的發(fā)光機(jī)理是缺陷發(fā)光。結(jié)果表明：不同溫度合成的AlGaN的發(fā)光譜的峰位不同，是由氮空位或鎵空位造成。溫度的升高由鎵空位引起的缺陷發(fā)光帶寬有變窄的趨勢(shì)，由氮空位的引起的缺陷發(fā)光帶寬有變寬的

2、趨勢(shì)。目前已知以AlGaN組成的發(fā)光層可以實(shí)現(xiàn)紅色、綠色和藍(lán)色顯示的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。隨著研究的深入AlGaN將會(huì)是一種很有發(fā)展前途的發(fā)光半導(dǎo)體材料。關(guān)鍵字：氮化鎵鋁；半導(dǎo)體材料；發(fā)光特性AbstractAlGaN semiconductor crystals with high thermal conductivity, high temperature insulation resistance and dielectric properties of materials under high temperature strength, low coefficient of thermal exp

3、ansion and the match with the silicon semiconductor materials, non-toxic, etc., with good optical performance. Currently known to AlGaN emitting layer composed of red, green and blue display state of development. With in-depth study AlGaN will be a promising light-emitting semiconductor crystals. Th

4、e use of high temperature vacuum sintering was prepared AlGaN microcrystalline, and photoluminescence measurements. Compare, analyze and summarize the different crystalline quality of AlGaN spectral peak position and peak width, Qualitative Study on AlGaN light-emitting mechanism. Inspection on AlGa

5、N light-emitting in the English literature, a qualitative understanding of the structure and basic properties of the AlGaN. Inspection of semiconductor materials, light-emitting aspects of the book, understanding between light and matter interactions and the semiconductor material of the light-emitt

6、ing principle.Key words: AlGaN；Semiconductor materials；Luminescent properties目錄1 緒論11.1 研究的意義11.2 氮化鎵鋁的性質(zhì)及其研究11.3 氮化鎵鋁的制備41.3.1 直接氮化法41.3.2 Al2O3熱還原法51.3.3 化學(xué)氣相沉積法71.3.4 等離子體氣相合成法72 化學(xué)氣相沉積法92.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備92.1.1 平行管式爐92.1.2 壓片機(jī)112.1.3 超聲波清洗器112.1.4 電子天平122.2 化學(xué)氣相沉積法原理123 氮化鎵鋁的制備143.1 氮化鎵鋁制備和相關(guān)數(shù)據(jù)143.1.1 實(shí)驗(yàn)藥

7、品及其他物品143.2 氮化鎵鋁制備的實(shí)驗(yàn)步驟143.2.1 制備金屬源143.2.2 平行管式爐的預(yù)處理143.2.3 氮化鎵鋁的制備154 氮化鎵鋁的表征164.1 拉曼分析164.1.1 拉曼光譜儀164.1.2 Raman分析164.2 氮化鎵鋁SEM和能譜分析174.2.1 掃描電鏡174.2.2 SEM和能譜分析185 氮化鋁鎵的發(fā)光特性205.1 光致發(fā)光205.2 氮化鎵鋁的缺陷發(fā)光205.3 PL光譜分析216 總結(jié)24致謝25參考文獻(xiàn)26附錄A 英文原文28附錄B 中文譯文34271 緒論1.1 研究的意義半導(dǎo)體照明（發(fā)光二極管，LED）是新型高效固體光源，具有節(jié)能、環(huán)保和

8、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。世界照明工業(yè)的轉(zhuǎn)型和新興半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的崛起，已成為不爭(zhēng)的事實(shí)2。半導(dǎo)體照明以其技術(shù)的先進(jìn)性和產(chǎn)品應(yīng)用的廣泛性，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。日本理化學(xué)研究所理研知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略中心與松下電工共同開發(fā)出具有良好殺菌效果的發(fā)光二極管（LED），該LED可發(fā)出波長(zhǎng)為280nm的深紫外光，輸出功率為106mW，為世界之最。新產(chǎn)品有望用于醫(yī)院、家庭的便攜式殺菌燈或用作氧化鈦等光觸媒用深紫外光源。 AlGaN半導(dǎo)體晶體由于具有熱導(dǎo)率高、高溫絕緣性和介電性能好、高溫下材料強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低并且與半導(dǎo)體硅材料相匹配、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的光學(xué)性能。目前已知以AlGaN組成的

9、發(fā)光層可以實(shí)現(xiàn)紅色、綠色和藍(lán)色顯示的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。隨著研究的深入AlGaN將會(huì)是一種很有發(fā)展前途的發(fā)光半導(dǎo)體晶體。1.2 氮化鎵鋁的性質(zhì)及其研究氮化鋁（AlN）為具有六方晶系纖維鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)的III-V族半導(dǎo)體共價(jià)鍵化合物，其晶體是以AlN四面體為結(jié)構(gòu)單位，具有Warzit結(jié)構(gòu)3。A1N單晶體的密度和導(dǎo)熱率的理論值分別為3.26g/cm，和319W/(mK);實(shí)測(cè)值分別為3.259/cm，和280W/(mK)室溫，含氧0.03%。純凈的AlN為無(wú)色透明晶體，在常壓下分解溫度為2480。25時(shí)晶格常數(shù)a0=3.1127,c0=4.9816屬六方晶系。其晶胞結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1 氮化鋁晶胞結(jié)

10、構(gòu)(其中1-Al原子2-N原子a=3.11A，c=4.980A)從表1.1 可見，在所列舉的陶瓷材料中，氮化鋁是唯一具有優(yōu)良綜合性能的材料，即具有高的熱導(dǎo)率、高的電阻率和相當(dāng)?shù)偷臒崤蛎浵禂?shù)。從室溫到600,氮化鋁熱膨脹系數(shù)比商品化的碳化硅還要低。作為基片材料的氮化鋁，從室溫到200的溫度范圍內(nèi)均具有優(yōu)良性能。氮化鋁硬度適中，抗彎強(qiáng)度超過氧化鋁和氧化硼。由于高的熱導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)，其抗熱沖擊性能也很好，在消除了微孔和第二相的影響下，其彈性模量接近理論值，由此可見氮化鋁陶瓷具有優(yōu)良的機(jī)械性能。由表1. 2可知，氮化鋁的平均熱膨脹系數(shù)與硅相近。因此這種新的基片材料在室溫范圍內(nèi)非常適用于大型集成電

11、路的封裝。表1.1 氮化鋁與其它陶瓷材料的熱、電和機(jī)械性能對(duì)比表注：室溫至600表1.2 不同溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)平均值/x10-6K-1氮化鋁粉末的表面極為活潑，易與空氣中的水蒸氣發(fā)生水解反應(yīng)，給它的生產(chǎn)和使用帶來(lái)影響。近年來(lái)，氮化鋁粉末表面改性的研究工作十分活躍，人們?cè)噲D通過表面改性來(lái)提高它的抗水化性，其有效途徑有：(1)借助疏水性和親水性有機(jī)物等在AIN表面形成涂層包裹;(2)在一定的氧分壓氣氛中熱處理AIN粉末，在其表面形成致密的氧化鋁層4。氮化鋁在空氣中的氧化行為包括:(1)氮化鋁被氧化成-；(2)進(jìn)一步發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變形成-。經(jīng)熱處理，氮化鋁的抗水化性能有一定的提高，將熱處理的氮化鋁引

12、入剛玉一尖晶石澆注料中，澆注料的抗渣侵蝕性能有所改善。氮化鋁在國(guó)際上用于混合集成電路(HIC)、微波集成電路(MIC)、電力電子模塊(GTRM、IGBTM)、激光二極管(LD)、刀具材料等領(lǐng)域。尤其是它的熱膨脹與半導(dǎo)體硅材料相匹配并且無(wú)毒性，是較理想的電子半導(dǎo)體封裝所用的支撐散熱材料，以取代毒性大的Beo材料5。有關(guān)氮化鋁的報(bào)道最早出現(xiàn)于1862年。當(dāng)時(shí)，氮化鋁曾作為一種固氮?jiǎng)┯糜诨手?。上世紀(jì)50年代，又作為耐火材料用于鋁及鋁合金等的冶煉。近二三十年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是混合集成電路(HIC)和多芯片（MCM)對(duì)封裝技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，作為電路元件及互連線承載體的AlN基

13、片也獲得了相應(yīng)的進(jìn)步。氮化鋁陶瓷因具有高熱導(dǎo)率(理論熱導(dǎo)率為319W/(mK)、低介電常數(shù)(約為8.8)、與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)(293-773K，)、絕緣體(電阻率)、無(wú)毒等特點(diǎn)，成為一種理想的電子封裝材料，應(yīng)用前景十分廣闊。上世紀(jì)90年代初，全世界AIN僅用于電子產(chǎn)品就有5.5億美元的市場(chǎng)，其中半導(dǎo)體的封裝占72%。氮化鋁已成為新材料領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，在粉體合成、成形技術(shù)、燒結(jié)工藝、顯微結(jié)構(gòu)等方面的研究都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。氮化鋁陶瓷的制備工藝和性能均受到粉體特性的直接影響，要獲得高性能的氮化鋁陶瓷，必須有純度高、燒結(jié)活性好的粉體作原料。氮化鋁粉體中的氧雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重降低熱導(dǎo)率，而粉體粒度、顆粒形

14、態(tài)則對(duì)成形和燒結(jié)有重要的影響。因此，粉體合成是AIN陶瓷生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。1.3 氮化鎵鋁的制備氮化鎵鋁的制備主要是有關(guān)GaN的制備，其制備方法與AlN的制備相一致。目前，AlN的制備已經(jīng)形成較完善的多種方法，下面討論當(dāng)前運(yùn)用較廣泛的幾種制備方法，以供參考6。1.3.1 直接氮化法直接氮化法就是將Al粉末與氮?dú)庵苯踊希詨A金屬氟化物為觸媒，此法需要在1050以上長(zhǎng)期暴露在氮?dú)庵胁拍艿玫椒匣瘜W(xué)式的成分7。反應(yīng)式為: (1.1)為防止初始反應(yīng)溫度超過Al的熔點(diǎn)(這是因?yàn)殇X的熔點(diǎn)為660，而鎵的熔點(diǎn)接近室溫，相對(duì)較低得多)，必須控制反應(yīng)的升溫速度。反應(yīng)在580-600開始，但鋁和氮?dú)獾暮铣煞磻?yīng)

15、要在1000，并讓鋁與氮?dú)忾L(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)才能完成8。在650和1000兩個(gè)階段，要長(zhǎng)期保溫，產(chǎn)品氮化鋁的純度可達(dá)99.9%。氮化鋁合成的加熱速度列于表1.3。表1.3 ()合成AlN的加熱速度反應(yīng)(1.1)可以進(jìn)行得很快，在1823K下只需2秒就能完成，但實(shí)際生產(chǎn)中往往在較低的溫度(1500k)和易于控制的條件下進(jìn)行反應(yīng)，這主要是為了提高轉(zhuǎn)化率和防止粉末團(tuán)聚。盡管如此，鋁粉直接氮化法一般難以得到顆粒微細(xì)、粒度均勻的AIN粉，通常需要后處理。Al粉顆粒表面氮化后形成的AIN層會(huì)阻礙N2向顆粒中心的擴(kuò)散，因而轉(zhuǎn)化率也是合成過程中的一個(gè)重要問題。直接氮化法工藝簡(jiǎn)單，適合于工業(yè)上的大批量生產(chǎn)要求，現(xiàn)已用

16、于大規(guī)模的生產(chǎn)。但是，該方法也存在著缺點(diǎn)，正如上面提到的，鋁粉轉(zhuǎn)化率低，易產(chǎn)生團(tuán)聚，產(chǎn)品質(zhì)量差，反應(yīng)過程難以控制。同時(shí)，生成的氮化鋁粉末容易自燒結(jié)，形成團(tuán)聚。為了彌補(bǔ)上述的不足，目前已有學(xué)者做了新的研究。如日本的Komeya在直接氮化法中將Y、Ca、Li加入到鋁粉中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以提高氮化的反應(yīng)速度，其中Li的作用最為明顯。針對(duì)直接氮化法產(chǎn)物易結(jié)塊，反應(yīng)不完全的缺點(diǎn)，日本的Kimnra等人開發(fā)了一種懸浮氮化技術(shù)，鋁粉被氮?dú)饬鞒蠆A帶通過高溫反應(yīng)區(qū)，在高溫反應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)化成為氮化鋁。Weimer對(duì)懸浮法做了進(jìn)一步的改進(jìn)，他用氮化鋁稀釋鋁粉后，在朝下的氮?dú)饬鲓A帶下通過高溫反應(yīng)區(qū)，接著進(jìn)入流化床，讓它長(zhǎng)時(shí)間

17、的氮化，此方法在一定程度上克服了直接氮化法產(chǎn)物易結(jié)塊、反應(yīng)不完全、氮化鋁粉粒徑偏大的缺點(diǎn)。1.3.2 Al2O3熱還原法碳熱還原法是采用超細(xì)氧化鋁粉和高純度碳黑作為原料，經(jīng)過球磨混合，最后置于石墨柑禍中，在碳管爐中氮?dú)鈿夥障潞铣伞：铣蓽囟确秶鸀?600-1750，保溫時(shí)間4-10h，然后在氮?dú)鈿夥障吕鋮s，最終得到黑色粉末狀的氮化物，再在空氣中，600-700下保溫10-16h9。 （1.2）這種方法目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用得最為普遍。一般認(rèn)為，反應(yīng)(1.2)分為兩步完成，第一步由C還原生成氣相中間產(chǎn)物Al(g)和(g)，然后由第二步氮化生成AIN。由(1.2)反應(yīng)式中可見，/C的摩爾比為3:1。但

18、一般來(lái)說，想要完全轉(zhuǎn)化成AIN，則需要降底/C摩爾比。因此在該方法中必須加入適當(dāng)過量的碳，即能加快反應(yīng)速率，又能提高鋁粉的轉(zhuǎn)化率，還有助于獲得均勻、適中的粒徑分布。但此方法也存在著缺點(diǎn)，過量的碳粉必須在反應(yīng)完全之后于600-900的干燥空氣中進(jìn)行脫碳處理，增加了生產(chǎn)成本。因此近年來(lái)，如何減少C的添加量，降低反應(yīng)的活化能、降低反應(yīng)溫度和選擇合適的原料成為優(yōu)化氧化鋁碳熱還原反應(yīng)的重點(diǎn)。日本的Komeya研究了添加大量不同種類的添加劑對(duì)反應(yīng)速度的影響，發(fā)現(xiàn)Ca是最有效的添加劑，可以把反應(yīng)激活能降低，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行。隨著研究的進(jìn)一步深入，人們發(fā)現(xiàn)加入的碳源不一定就局限于碳黑一種，用液態(tài)的有機(jī)溶劑、

19、熱解樹脂或蔗糖作碳源，也能夠使反應(yīng)完全，并且碳含量也容易控制。許多研究表明在-，-，-，-等不同鋁源中，-和碳的反應(yīng)活性最好。蔣新等人通過對(duì)使用不同起始原料，如碳黑、活性炭、-:和等合成的氮化鋁粉末性質(zhì)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)活性炭和有助于加快反應(yīng)速率，提高產(chǎn)物氮含量。另外，在-和活性炭中添加少量的氟化物具有催化功效。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)是由上海硅酸鹽研究所的黃莉萍等人最早用氧化鋁碳熱還原制備氮化鋁粉末的。在用碳熱還原法制備AIN粉體的工藝中，常加入CaO、Ca、等作催化劑，其中加Ca可以更為有效地降低活化能，提高反應(yīng)速度。制備中總是加適當(dāng)過量的碳，這樣既能加快反應(yīng)速度，又能提高轉(zhuǎn)化率，還有助于控制粉末團(tuán)聚和獲

20、得理想的粒徑分布，殘余的碳可以在空氣中837K左右燒除10。用碳熱還原法合成的AIN粉體純度較高，成形和燒結(jié)性能都比較好，但合成溫度高，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，粉體粒度也比較大。1.3.3 化學(xué)氣相沉積法基于鋁的揮發(fā)性化合物與氨和氮?dú)獾幕瘜W(xué)反應(yīng)從氣相中沉積氮化鋁，可分為等離子體化學(xué)氣相沉淀法、激光化學(xué)氣相沉淀法和熱化學(xué)氣相沉淀法。按照源物質(zhì)的不同，又可分為無(wú)機(jī)物(鹵化鋁)和有機(jī)物(烷基鋁)化學(xué)氣相沉積法。最常見的是用或鋁的金屬有機(jī)化合物為原料，與通過下述兩個(gè)氣相反應(yīng)過程合成AIN。 (1.3) (1.4)反應(yīng)(1.3)一般在873-1373K的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，隨著溫度的升高和n()/n()的增大，轉(zhuǎn)化率及

21、生成AlN粉的結(jié)晶程度提高，反應(yīng)(l.3)生成的HCI往往帶來(lái)不利的影響，用為原料則可避免這一問題，而且(1.4)的反應(yīng)溫度也比較低，在673K即可迅速完成，生成高純AIN粉。有研究表明，隨著進(jìn)料溫度的不同，會(huì)在不同階段產(chǎn)生不同的中間產(chǎn)物。為了縮短工藝流程，因此可以直接采用多氨化合物直接反應(yīng)生成氮化鋁粉末。當(dāng)選用烷基鋁代替無(wú)機(jī)鋁時(shí)，反應(yīng)過程簡(jiǎn)單，且不會(huì)產(chǎn)生HCI，生成的烷基會(huì)隨著反應(yīng)溫度的升高而逐漸失去。與其他方法相比，此法最適合于連續(xù)生產(chǎn)，而且這種方法可以方便地控制AIN顆粒的成核和生長(zhǎng)速率，從而獲得尺寸均勻的超細(xì)粉。1.3.4 等離子體氣相合成法等離子體是一種高溫、高活性、離子化的電導(dǎo)氣體

22、。，等氣體在電弧的超高溫下熱解，成為原子狀和離子狀的氮和氫。它們與金屬接觸，大量氣體就溶入金屬，如將Al粉輸送到等離子火焰區(qū)內(nèi)，在溫度高達(dá)1萬(wàn)多度的火焰高溫區(qū)內(nèi)，粉末立即熔化揮發(fā)，與氮離子迅速化合而成為AIN粉末11。而沒有接觸電弧的表面則放出氣體，并伴隨金屬的蒸發(fā)，金屬表面和金屬蒸氣與等離子又發(fā)生反應(yīng)而生成金屬化合物。使用直流電弧等離子發(fā)生器或高頻等離子發(fā)生器，在等離子發(fā)生器中幾乎所有的顆粒都處在高能量狀態(tài)，可以以高速度和氮?dú)膺M(jìn)行反應(yīng)，因此該方法能有效地縮短反應(yīng)時(shí)間，合成粒度細(xì)、比表面大、具有良好燒結(jié)活性的AIN粉末12。同時(shí)，制得的粉末無(wú)須經(jīng)過球磨等二次加工工序，可以避免帶入外來(lái)雜質(zhì)，粉末

23、質(zhì)量高。但設(shè)備比較復(fù)雜，反應(yīng)不完全、制得的AIN氧含量較高，因此應(yīng)用受到一定的限制。等離子體氣相合成法可分為直流電弧等離子體法、高頻等離子體法和微波等離子體法等。其共同的最大特點(diǎn)是:在無(wú)氧條件下，即可使得溫度升至幾千K，甚至上萬(wàn)K，使鋁粉或鋁塊迅速熔融、氣化，此法制得的是無(wú)污染的干燥粉體，并且顆粒粒度較細(xì)、分布均勻。直流電弧等離子體法利用電弧間放電產(chǎn)生高溫射流，以鋁金屬塊或鋁粉為原料，在Ar，N或H等離子體射流中迅速熔融、氣化、反應(yīng)、成核、長(zhǎng)大，最終形成納米氮化鋁粉體;V.Mortct等利用高頻等離子體法制備出了納米氮化鋁粉體，但是其能量利用率低，產(chǎn)物穩(wěn)定性較差;R.K.Kalynaaramn

24、a和M.L.Pnahcula等利用微波等離子體法制得了納米AIN粉體，粉末純度較高，其熱傳導(dǎo)系數(shù)與理論值相近，但是由于其處理量較小，得到的粉體雖然粒度較細(xì)、粉末純度較高，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段13?，F(xiàn)在的研究多采用直流電弧等離子體法，用鋁金屬為原料，在A，或等離子體射流中直接氣化反應(yīng)，制備得到了平均粒徑100nm的氮化鋁粉體14。研究結(jié)果表明:該方法制備的納米氮化鋁粉體團(tuán)聚少，平均粒徑小，缺點(diǎn)是所用方法為非定態(tài)反應(yīng)，只能小批量處理，不能連續(xù)反應(yīng)，難于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。2 化學(xué)氣相沉積法2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備2.1.1 平行管式爐圖 2.1平行管式爐 如圖2.1所示，平行管式爐主要用于電子陶瓷產(chǎn)品的預(yù)燒、燒結(jié)

25、、鍍膜、高溫?zé)峤獾蜏爻练e（CVD）工藝等。其系統(tǒng)供氣原理圖如下圖2.2所示：圖2.2 供氣系統(tǒng)其真空配套設(shè)備有：機(jī)械泵，真空系統(tǒng)。其高溫爐參數(shù)如下：爐管尺寸：801200mm加熱元件:電阻絲加熱區(qū)長(zhǎng)度：220mm恒溫區(qū)長(zhǎng)度:200mm工作溫度：1100最高溫度：1200控溫方式：智能化30段可編程控制恒溫精度:1爐門結(jié)構(gòu)：開啟式工作電源：AC220V /50HZ/60HZ額定功率: 2.5KW外型尺寸:650480620mm2.1.2 壓片機(jī)圖2.3壓片機(jī) 壓片機(jī)主要由2部分組成，主體成型部分如圖2.3所示。該設(shè)備采用的是氣壓法，最高壓力可達(dá)12噸。2.1.3 超聲波清洗器圖2.4超聲波清洗器

26、 當(dāng)超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。圖2.4所示的超聲波清洗器的數(shù)據(jù)參數(shù)如下：超聲波功率：200W超聲頻率：28/40KHz內(nèi)槽尺寸：250200230加熱功率：500W/220V2.1.4 電子天平圖2.5電子天平如圖2.5所示為電子天平，其精度為萬(wàn)分之一，周圍有玻璃罩，可隔絕風(fēng)對(duì)測(cè)量的影響。并且可以只能調(diào)節(jié)準(zhǔn)值。2.2 化學(xué)氣相沉積法原理圖2.6 平行管式爐示意圖化學(xué)氣相沉積法制備AlGaN。以鉬舟上的

27、鋁，鎵混合物為金屬源，NH3提供氮源，在氬氣作為載氣氛圍下，控制溫度在950，當(dāng)蒸汽壓濃度足夠大的時(shí)候在金的催化下與N原子結(jié)合成AlN核沉積在硅片上，生長(zhǎng)形成AlGaN納米材料16。其反應(yīng)式如下： (2.1) (2.2)3 氮化鎵鋁的制備3.1 氮化鎵鋁制備和相關(guān)數(shù)據(jù)3.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及其他物品實(shí)驗(yàn)藥品：鋁粉（純度5N,分析純AR，（氯化物0.01%，堿金屬及堿土金屬0.50%，重金屬0.005%，硫酸鹽0.05%，灼燒失量5.0%，水中溶解物0.5%，鐵0.01%，硅酸鹽合格）；高純度NH3：鉬片：鉗成槽形，與實(shí)驗(yàn)所用試管相適應(yīng)，盛金屬混合物；石英試管：耐高溫，作為反應(yīng)空間。3.1.2 氮

28、化鎵鋁制備的物理參數(shù)表3.1：物理參數(shù)氬氣流量氨氣流量時(shí)間備注平行管式爐抽真空0 sccm0 sccm10 分鐘3.1.2-1升溫階段50sccm50sccm25 分鐘3.1.2-2反應(yīng)階段50sccm0 sccm150分鐘3.1.2-33.2 氮化鎵鋁制備的實(shí)驗(yàn)步驟 3.2.1 制備金屬源用脫脂棉蘸無(wú)水乙醇擦拭小燒杯及藥勺，待其干后，取一0.5g鋁粉倒入燒杯，加無(wú)水乙醇至20ml，待用；取已鉗制的鉬片（長(zhǎng)1cm，寬0.5cm，邊緣高0.5cm），擦拭干凈，放入待用燒杯中；將燒杯蓋上蓋，在超聲波清洗器中震蕩10分鐘；取出鉬片，烘干后在上面點(diǎn)多個(gè)金屬鎵點(diǎn)，再次烘烤5分鐘，制得待用金屬源。所制得的

29、金屬源，其中鋁粉薄厚均勻，鎵摻雜適宜，金屬粉末層不易脫落。3.2.2 平行管式爐的預(yù)處理將鍍金硅片蓋在待用金屬源上，注意光滑面向上，放入試管中；把石英小試管推入真空管式爐中心處（試管應(yīng)在加熱部位正上方），保持金屬源層與硅片平行且水平；封閉真空系統(tǒng)。3.2.3 氮化鎵鋁的制備首先把真空泵打開，將真空系統(tǒng)抽到5帕左右，通入氬氣到常壓，如此往復(fù)3次，進(jìn)行洗氣，最后是真空系統(tǒng)充滿氬氣，將出氣管進(jìn)行水封.設(shè)定加溫目標(biāo)溫度值，開始加溫（此時(shí)調(diào)整參數(shù)參考3.1.2-2）；待溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值時(shí)，保持此溫度，按數(shù)據(jù)3.1.2-3進(jìn)行操作；降溫操作，關(guān)閉加溫按鈕，先扭緊氣瓶總閘，待進(jìn)氣流量顯示為0時(shí)，關(guān)閉外閘，關(guān)

30、閉出氣口閘，將出氣孔從封水中取出；關(guān)閉實(shí)驗(yàn)電源，待冷卻12小時(shí)后，取出樣品.重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)步驟加熱到850，900，950并使用控制變量法改變氨氣的流量，以尋求最佳的制備條件。4 氮化鎵鋁的表征4.1 拉曼分析4.1.1 拉曼光譜儀拉曼光譜儀由激光源、收集系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，光源一般采用能量集中、功率密度高的激光，收集系統(tǒng)由透鏡組構(gòu)成，分光系統(tǒng)采用光柵或陷波濾光片結(jié)合光柵以濾除瑞利散射和雜散光，檢測(cè)系統(tǒng)采用光電倍增管檢測(cè)器、半導(dǎo)體陣檢測(cè)器或多通道的電荷藕合器件17。本實(shí)驗(yàn)使用的是英國(guó)雷尼紹（Renishaw）公司生產(chǎn)的inVia 型共聚焦顯微Raman 光譜儀，光源為He-Cd激光,激

31、發(fā)波長(zhǎng)325 nm，如圖4.1。圖4.1 光譜儀4.1.2 Raman分析圖4.2 AlGaN的拉曼光譜圖4.2是AlN摻雜鎵納米線的拉曼光譜，從圖中可以看出，E1(low)（247.2cm-1）、A1(TO) (617.2 cm-1)、E2(high)（655.5 cm-1）、E1(TO)(669.8 cm-1) 這4個(gè)振動(dòng)模式可以清楚地被指認(rèn)出來(lái)，A1(LO)和E1(LO)在拉曼頻率為（900.2 cm-1）處疊加。由于拉曼(Raman)散射光譜儀是測(cè)定晶體的結(jié)晶質(zhì)量的一個(gè)非常有效的手段，它能夠判別納米材料中的應(yīng)力和缺陷, 而且可以研究聲子的振動(dòng)特性18。Raman 光譜的測(cè)量使用的激發(fā)波

32、長(zhǎng)514.5 nm，采用背散射配置。E2(high)模式是AlN 拉曼散射光譜中最容易觀察到的振動(dòng)模式，所以通常用這個(gè)模式的峰值來(lái)分析AlN的晶體的結(jié)晶質(zhì)量19。本實(shí)驗(yàn)E2(high)模式的峰值（655.5 cm-1）與單晶體材料AlN 的值（656 cm-1）非常接近。此外，低頻E2(low)模式的出現(xiàn)也表明AlN 納米線結(jié)晶質(zhì)量較好20。4.2 氮化鎵鋁SEM和能譜分析4.2.1 掃描電鏡掃描電鏡是利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描時(shí)激發(fā)出來(lái)的各種物理信號(hào)來(lái)調(diào)制成像的。掃描電鏡主要有真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)使用的是日立公司掃描電鏡，如圖4.3。圖4.3 掃描電鏡4.2.2 SE

33、M和能譜分析圖4-4是AlGaN納米線的SEM 照片，明顯地看到合成的AlGaN納米線表面光滑。從圖中可以看出AlGaN納米線尺寸比較小，聚集在一起大約有。在圖4.4中標(biāo)記“譜圖 57”處，做一下能譜如圖4.5 AlGaN的能譜圖，從能譜上看到在“譜圖 57”處有N，Ga，Al，Si，Au元素，其中Si是基底，Au是在Si基底鍍上的2nm薄層。由此可以證明AlGaN納米線成功得到。圖4.4 AlGaN的SEM照片圖4.5 AlGaN的能譜圖5 氮化鋁鎵的發(fā)光特性5.1 光致發(fā)光光致發(fā)光（簡(jiǎn)稱PL）是指物質(zhì)吸收光子（或電磁波）后重新輻射出光子（或電磁波）的過程。從量子力學(xué)理論上，這一過程可以描述

34、為物質(zhì)吸收光子躍遷到較高能級(jí)的激發(fā)態(tài)后返回低能態(tài)，同時(shí)放出光子的過程。光致發(fā)光是多種形式的熒光（Fluorescence）中的一種。光致發(fā)光是一種探測(cè)材料電子結(jié)構(gòu)的方法，它與材料無(wú)接觸且不損壞材料。光直接照射到材料上，被材料吸收并將多余能量傳遞給材料，這個(gè)過程叫做光激發(fā)。這些多余的能量可以通過發(fā)光的形式消耗掉。由于光激發(fā)而發(fā)光的過程叫做光致發(fā)光。5.2 氮化鎵鋁的缺陷發(fā)光如圖5.1左側(cè)是纖鋅礦AlN結(jié)構(gòu)模型，如圖5.1模型右側(cè)，由于有Ga的摻雜，一個(gè)Ga原子代替了一個(gè)Al原子，或者出現(xiàn)一個(gè)N原子的空位，而產(chǎn)生的發(fā)光是氮化鎵鋁缺陷發(fā)光。圖5.1 纖鋅礦AlN結(jié)構(gòu)模型5.3 PL光譜分析氮化鎵鋁的

35、室溫光致發(fā)光光譜測(cè)量使用的是波長(zhǎng)為325 nm 激發(fā)線，如圖5.2到圖5.5中，在400-650 nm范圍內(nèi)有個(gè)非常寬的發(fā)光帶。很明顯，這個(gè)發(fā)光帶不是來(lái)自本征帶隙的發(fā)射。關(guān)于AlN 納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光特性，不同的AlN 納米結(jié)構(gòu)發(fā)光帶中心是不同的，而且每個(gè)AlN 納米結(jié)構(gòu)有幾個(gè)發(fā)光帶，表明AlN 納米結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。目前的文獻(xiàn)報(bào)道認(rèn)為，中心在380 nm 或小于380 nm 的發(fā)光帶可能是由O 雜質(zhì)導(dǎo)致；中心在450 nm 附近的發(fā)光帶是由AlN 納米結(jié)構(gòu)中的Al 或摻雜引起；中心在519 nm 附近的發(fā)光帶也是由N 空位造成。本實(shí)驗(yàn)合成的AlGaN納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光的缺陷發(fā)光造成的，

36、在中心為450nm左右 的發(fā)光帶可能是由AlN納米線中Ga摻雜造成。在中心為519nm左右的發(fā)光帶可能是由AlN 納米線中N空位造成。圖5.2 1050合成的AlGaN在室溫下的光致發(fā)光圖譜和能帶示意圖圖5.3 950合成的AlGaN在室溫下的光致發(fā)光圖譜和能帶示意圖圖5.4 900合成的AlGaN在室溫下的光致發(fā)光圖譜和能帶示意圖圖5.5 850合成的AlGaN在室溫下的光致發(fā)光圖譜和能帶示意圖圖5.2到圖5.5的左側(cè)是分別在1050，950，900，850合成的AlGaN在室溫下的光致發(fā)光圖譜，右側(cè)是所對(duì)應(yīng)的能帶示意圖。圖中VN是N空位，VGa是Ga空位，VGa-ON是Ga空位和O雜質(zhì)的復(fù)

37、合體。價(jià)帶（Valence Band）：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電帶。導(dǎo)帶（Conduction Band）：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。表5.1 不同溫度的AlGaN缺陷發(fā)光溫度N空位Ga空位1050波長(zhǎng)419nm波長(zhǎng)531 nm帶寬2.96ev帶寬2.34 ev950波長(zhǎng)449 nm波長(zhǎng)518 nm帶寬2.76 ev帶寬2.39 ev900波長(zhǎng)450 nm波長(zhǎng)515 nm帶寬2.76 ev帶寬2.41 ev850波長(zhǎng)451 nm波長(zhǎng)507 nm帶寬2.75 ev帶寬2.45 ev由表5.1不同溫度的AlGaN缺陷發(fā)光，可以觀察到溫度的升高由鎵空位引起的缺陷發(fā)光帶寬有變窄的趨

38、勢(shì)，由氮空位的引起的缺陷發(fā)光帶寬有變寬的趨勢(shì)。6 總結(jié)在氮化鋁摻雜鎵實(shí)驗(yàn)中，通過Raman的表征：E2(high)模式的峰值（655.5 cm-1）與單晶體材料AlN 的值（656 cm-1）非常接，低頻E2(low)模式的出現(xiàn)也表明摻雜鎵的AlN 納米線結(jié)晶質(zhì)量較好；SEM和能譜的表征: 存在N，Ga，Al元素組成的氮化鎵鋁納米線。氮化鎵鋁的發(fā)光特性研究表明：氮化鎵鋁的發(fā)光是缺陷發(fā)光：溫度的升高由鎵空位引起的缺陷發(fā)光帶寬有變窄的趨勢(shì)，由氮空位的引起的缺陷發(fā)光帶寬有變寬的趨勢(shì)。致謝本論文的順利完成，首先要感謝我的指導(dǎo)老師沈龍海老師，從選題開始即我對(duì)題目所做的介紹，到確定選題后為我所做的一系列的輔導(dǎo)，處處體現(xiàn)了沈老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，使我深受影響，對(duì)我日后能全身心的投入到論文中有很大的幫助，最重要的是沈老師教給了我科學(xué)的分析問題、解決問題的方法，使我受益頗深。我還要感謝的是王楠學(xué)姐，她在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給與我們的指導(dǎo)，不論是在每天的實(shí)驗(yàn)階段，還是后面的論文寫作階段，都給了