将表面沉积有金纳米颗粒的GaN薄膜在H2与N2的混合气氛下进行高温退火, 成功制备了多孔GaN薄膜。多孔GaN薄膜的表面形貌可通过退火温度、退火时间及金沉积时间等参数进行调控。利用高分辨X射线衍射(HRXRD)和拉曼光谱表征了不同GaN结构的晶体质量, 与平面GaN薄膜相比, 多孔GaN薄膜的位错密度和残余应力均有所降低, 在退火温度为1 000 ℃时其位错密度最小, 应力的释放程度较大。采用光致发光(PL)光谱表征了其光学性质, 与平面GaN薄膜相比, 多孔GaN薄膜的发光强度显著提高, 这可归因于多孔结构的孔隙率增大, 有效增加了光的散射能力。此外, 通过电化学工作站测试了不同GaN结构的光电流密度, 结果表明, 具有更大比表面积的多孔GaN薄膜在作为工作电极时, 光电流密度是平面GaN薄膜的2.67倍。本文通过高温刻蚀手段成功制备了多孔GaN薄膜, 为GaN外延层晶体质量与光学性能的提升及在光电催化等领域中的应用提供了一定的理论指导。

GaN薄膜材料广泛应用于发光二极管(LED), 激光二极管(LD)等光电器件。 但是GaN基器件的制备与应用以及器件推广很大一部分取决于其器件的价格, 常用的方式是在单晶蓝宝石衬底上沉积制备GaN薄膜样品, 单晶蓝宝石衬底晶向择优, 可以制备出高质量的GaN薄膜样品, 但是单晶蓝宝石衬底价格昂贵, 一定程度上限制了其GaN基器件推广使用。 如何在廉价衬底上直接沉积高质量的GaN薄膜, 满足器件的要求成为研究热点。 石英玻璃价格廉价, 但是属于非晶体, 没有择优晶向取向, 很难制备出高质量薄膜样品。 本研究采用等离子体增强金属有机物化学气相沉积系统在非晶普通石英衬底上改变氮气反应源流量低温制备GaN薄膜材料。 制备之后采用反射高能电子衍射谱、 X射线衍射光谱、 室温透射光谱和光致光谱对制备的薄膜进行系统的测试分析。 其结果表明: 在氮气流量适当的沉积参数条件下, 所制备的薄膜具有高C轴的择优取向, 良好的结晶质量以及优异的光学性能。

采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370 nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。 首先, 基于GaN薄膜的透射光谱, 结合线性光学理论分析得到了其在370 nm的线性折射率n0、 线性吸收系数α0、 光学带隙Eg等线性光学性质。 采用飞秒激光Z扫描技术, 得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果, 结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。 在激发光子能量接近GaN带隙情况下, 低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收, 这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。 闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n2=－(1.0±0.1)×10-3 cm2·GW-1, 它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。 为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制, 采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。 实验结果表明, 在低光强下, 饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收, 高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程, 其自由载流子弛豫时间约为17 ps。 该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。

利用量子化学的DFT理论, 对MOVPE生长GaN薄膜的表面初始反应机理进行研究。通过计算GaCH3和NH3在GaN(0001)-Ga面的4种吸附位的能量曲线发现, GaCH3在各吸附位的吸附能差值不大, 因此容易在表面迁移; 而NH3在各吸附位的吸附能差值较大, 最稳定吸附位为Top位, 迁移到其他位置需要克服较大能垒。在此基础上, 提出了以NH3和 GaCH3为表面生长基元, 在GaN(0001)-Ga面连续生长, 最终形成环状核心的二维生长机理: 在环状核心形成过程中, 第1个GaN核生长需要3个NH3和1个GaCH3, 可表示为Ga(NH2)3。第2个GaN核生长可利用已有的1个N作为配位原子, 故只需2个NH3和1个GaCH3。2个GaN核可表示为(NH2)2Ga-NH-Ga(NH2)2。第3个GaN核生长可利用已有的2个N作为配位原子, 故只需要1个NH3和1个GaCH3。3个GaN核构成环状核心, 可表示为Ga3(NH)3(NH2)3。后续的生长将重复第2个核和第3个核的生长过程, 从而实现GaN薄膜的连续台阶生长。

在Si(111)衬底上采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术外延生长GaN薄膜, 对外延生长所得GaN薄膜的晶体结构和表面形貌进行表征, 并研究SiNx插入层对GaN薄膜的晶体质量和表面形貌的影响。结果表明, 在Si衬底上生长GaN薄膜过程中引入SiNx插入层可使GaN薄膜的(10-12)面的X-射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值从974.01减小到602.01 arcsec; 表面凹坑等缺陷减少、表面平整度提高。可见, SiNx插入层对在Si衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。

建立了氮化镓(GaN)薄膜和氧化铝(Al2O3)衬底三维有限元模型模拟因两种材料热膨胀系数不同导致的温度应力和变形。进行了不同沉积温度、GaN 薄膜厚度、Al2O3衬底厚度和直径下的薄膜热应力和变形模拟正交实验。定量分析了各因素对薄膜热应力和边缘变形的影响，确定了使薄膜热应力和边缘变形最小的最佳因素水平组合。薄膜应力理论和数值解相差小于1.4%，建立的有限元模型可以用于薄膜应力和变形的分析。影响GaN 薄膜热应力的因素次序为沉积温度、GaN 薄膜厚度、Al2O3衬底厚度、衬底直径，最佳因素水平组合为A1B3C3D1。影响GaN 薄膜边缘变形的因素次序为Al2O3衬底直径、GaN 薄膜厚度、Al2O3衬底厚度、沉积温度，最佳因素水平组合为A1B3C1D3。

利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上制备了GaN∶C 薄膜。为得到高阻(或半绝缘)的GaN 薄膜，研究了源(CCl4)流量和载气对MOCVD 外延GaN 薄膜电学性能的影响，发现CCl4流量和载气对实现高阻的GaN 影响很大。当GaN 缓冲层采用N2作为载气，CCl4的流量为0.016 μmol/min 时成功实现了GaN 的高阻生长，样品A2的方块电阻高达2.8×107 Ω/sq。经原子力显微镜(AFM)测试显示，样品的表面形貌较好，粗糙度均在0.3 nm 附近，说明Ｃ掺杂对外延GaN 薄膜的表面形貌没有大的影响。低温荧光光谱测试显示黄光峰与刃型位错有关。

脉冲激光沉积(PLD)技术凭借其低温生长优势, 逐步在GaN薄膜外延领域得到广泛应用。回顾了近年来PLD技术外延生长GaN薄膜的研究进展, 包括新型衬底上的GaN薄膜外延研究进展, 以及作为克服异质外延的重要手段——缓冲层技术的发展现状。从目前的研究进展可以看出, 应用PLD技术制备GaN薄膜及其光电器件具有广阔的发展前景。

在蓝宝石(Al2O3)衬底上应用脉冲激光沉积技术(PLD)生长不同厚度的AlN缓冲层后进行GaN薄膜外延生长。采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对外延生长所得GaN薄膜的晶体质量和表面形貌进行了表征。测试结果表明: 相比直接在Al2O3衬底上生长的GaN薄膜, 通过生长AlN缓冲层的GaN薄膜虽然晶体质量较差, 但表面较平整; 而且随着AlN缓冲层厚度的增加, GaN薄膜的晶体质量和表面平整度均逐渐提高。可见, AlN缓冲层厚度对在Al2O3衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。

利用有限元分析软件ANSYS对蓝宝石基GaN薄膜的应力进行了模拟分析，并通过理论计算验证了其合理性。模拟出了蓝宝石基GaN薄膜应力的分布情况。分析了应力与沉积温度、薄膜厚度、衬底厚度的关系，同时研究了不均匀温度分布对应力的影响。模拟结果显示：薄膜上表面在径向上，中心处热应力最大，薄膜边缘应力发生了突降，其他部分应力分布比较均匀。研究表明沉积温度升高、薄膜厚度减小以及衬底厚度增大都会使热应力变大。衬底径向温度不均匀时，热应力有增大的趋势，且温差越大，热应力就越大。