本文采用脉冲激光沉积(PLD)技术在p型4H-SiC衬底上, 制备出沿(403)择优生长的β-Ga2O3薄膜。结果表明, 衬底生长温度对β-Ga2O3薄膜的形貌、结构、组分, 以及生长机理都有重要影响。当生长温度由300 ℃升高至500 ℃时, 薄膜结晶质量随生长温度升高而提高, 当温度进一步升高到600 ℃时, 薄膜结晶质量变差, 这是由于在相对低温(500 ℃以下)阶段, 生长温度越高, 沉积在衬底上原子的动能越大, 越容易迁移, 使得β-Ga2O3薄膜主要按照二维生长模式进行生长, 薄膜结晶质量提高, 表现为随着生长温度升高, 粗糙度降低。但当温度上升到600 ℃时, 由于4H-SiC衬底和β-Ga2O3薄膜之间的热膨胀系数存在差异, 导致薄膜生长由主要以二维生长模式向三维岛状演变。基于p-4H-SiC/n-β-Ga2O3构筑的异质结太阳电池, 其标准测试条件下光电转换效率达到3.43%。

氮化铝(AlN)是一种重要的超宽禁带半导体材料。本文研究了采用氢化物气相外延(HVPE)方法生长氮化铝的表面形貌演化和生长机理。AlN的制备过程是氮化处理后以700~1 100 ℃的不同温度生长, 得到四组不同温度下的表面形貌。结果表明, 生长温度对AlN的生长形貌和生长模式具有重要的影响。AlN的生长形貌体现在纳米尺度和微米尺度的形貌差异, 该结果归因于受生长温度主导的Al原子的表面迁移能力和位错演化。另外, 在900 ℃生长温度下得到具有倒金字塔结构的V坑形貌。V坑面为{10-11}半极性面, 并遵循三维(3D)生长模式。这种具有半极性面微观形貌的AlN可作为模板进行半极性紫外LED器件结构或其他Ⅲ族氮化物外延生长, 在光电子器件和电子器件研制方面具有广阔的应用前景。

使用数值模拟的方法, 对氢化物气相外延(HVPE)生长α-Ga2O3材料的温度和反应源气流进行了优化。区别于传统的在反应腔内HCl或Cl2携带Ga源的结构, 使用了外置Ga源的方法, 可以较准确地调整GaCl/GaCl3的组分占比、摩尔分数和浓度。另外, 使用分子模拟软件Gaussian计算得到GaCl3与O2反应的活化能, 通过实验数据拟合得到α-Ga2O3相变为β-Ga2O3的反应活化能。在此基础上, 对生长温度、GaCl/GaCl3的组分占比进行了模拟, 并给出了α-Ga2O3的优化生长条件。

利用气态源分子束外延技术在InP衬底上生长了包含InAlAs异变缓冲层的In0.83Ga0.17As外延层.使用不同生长温度方案生长的高铟InGaAs和InAlAs异变缓冲层的特性分别通过高分辨X射线衍射倒易空间图、原子力显微镜、光致发光和霍尔等测量手段进行了表征.结果表明, InAlAs异变缓冲层的生长温度越低, X射线衍射倒易空间图(004)反射面沿Qx方向的衍射峰半峰宽就越宽, 外延层和衬底之间的倾角就越大, 同时样品表面粗糙度越高.这意味着材料的缺陷增加, 弛豫不充分.对于生长在具有相同生长温度的InAlAs异变缓冲层上的In0.83Ga0.17As外延层, 采用较高的生长温度时, X射线衍射倒易空间图(004)反射面沿Qx方向的衍射峰半峰宽较小, 77 K 下有更强的光致发光, 但是表面粗糙度会有所增加.这说明生长温度提高后, 材料中的缺陷得到抑制.

在低压金属有机化学气相沉积生长工艺中, 对用于制作850nm垂直腔面发射激光器件的GaAs/AlxGa1－xAs多量子阱外延结构的生长温度、反应室压力、总载气流量以及生长速度等主要工艺参量进行优化, 并进行了完整外延结构的生长.实验结果表明: 在700℃条件下, 得到多种组分的GaAs/AlxGa1－xAs多量子阱结构,通过光致发光谱对比测试得到的最佳组分x为0.24, 同时得到良好的表面形貌, 最终确定的最佳生长速度为0.34~0.511nm/s.

利用课题组自主研发的热壁低压化学气相沉积（HWLPCVD）系统, 在朝[11-20]方向偏转4°的（0001）Si面4H-SiC衬底上进行快速同质外延生长, 研究了生长温度及氯硅比（Cl/Si比）对外延生长速率的影响机理。研究发现, 外延生长速率随生长温度的提高呈线性增加, 而Cl/Si比的改变对生长速率的影响不大。文章进一步探究了Cl/Si比对4H-SiC外延层表面缺陷的影响。较低的Cl/Si比（0.4~2）可以减少或消除三角缺陷, Cl/Si比较高（大于5）时, 表面质量反而下降, 因而, 适当的Cl/Si比对于获得表面形貌良好的4H-SiC外延层至关重要。

为了对980nm大功率半导体激光器的波导层和有源层外延材料进行快速表征, 设计了相应的双异质结(DH)结构和量子阱(QW)结构, 并在不同条件下进行了MOCVD外延生长, 通过室温荧光谱测试分析, 得到Al0.1Ga0.9As波导层的最佳生长温度为675℃, InGaAs QW的最佳长温度为575℃。为了兼顾波导层需高温生长和QW层需低温生长的需求, 提出在InGaAs QW附近引入Al0.1Ga0.9As薄间隔层的变温停顿生长方法, 通过优化间隔层的厚度, InGaAs QW在室温下的PL谱的峰值半高宽只有23meV。基于优化的外延工艺参数, 进行了980nm大功率半导体激光器的外延生长, 并制备了腔长4mm、条宽95μm的脊形器件。结果显示, 在没有采取任何主动散热情况下, 器件在30A注入电流下仍未出现腔面灾变损伤, 输出功率达到23.6W。

利用低压金属有机化学气相沉积技术(LP-MOCVD)生长InGaAs/GaAs单量子阱(SQW)，通过改变生长速率、优化生长温度和V/III比改善了量子阱样品的室温光致发光(PL)特性。测试结果表明，当生长温度为600 ℃、生长速率为1.15 μm/h时，生长的量子阱PL谱较好，增加V/III比能够提高量子阱的发光强度。实验分析了在不同的In气相比条件下，生长速率对量子阱质量的影响，利用模型解释了高In气相比时，随着生长速率增加PL谱蓝移现象消失的原因。

利用脉冲激光沉积技术在非晶石英衬底上制备立方结构MgZnO薄膜, 并研究MgZnO薄膜结晶特性、光学带隙随生长温度的变化情况。当生长温度从150 ℃升高到700 ℃时, MgZnO薄膜的生长取向由(200)向(111)转变。在600 ℃以下, MgZnO薄膜光学带隙的变化规律与晶格中Mg和Zn原子比例的变化趋势是一致的; 而当温度升至700 ℃时, 虽然MgZnO晶格中Mg和Zn原子比例降低, 但由于平均晶粒尺寸变大, 薄膜的光学带隙反而上升。在300 ℃和700 ℃晶格匹配的情况下, 获得了单一(200)和(111)取向的立方MgZnO薄膜。

采用脉冲激光沉积方法在单晶MgO基片上外延生长了BaTiO₃晶体薄膜.为改善薄膜的结晶质量和表面粗糙度, 研究并优化了生长工艺中生长温度和激光能量两个参量, 并对薄膜样片实行原位退火.找到了BaTiO3薄膜在优先方向上的结晶效果, 分析了结晶质量对生长温度的依赖关系和不同激光能量对结晶薄膜的表面粗糙度的影响.利用X射线衍射仪测定结晶效果与特性, 原子力显微镜表征BaTiO3薄膜的结晶表面形貌与粗糙度.测试结果表明, 在c轴取向生长BaTiO3薄膜, 在（001）和（002）方向上都出现强度很高的尖锐衍射峰, 具有较好的结晶质量和较小的表面粗糙度, 原子力显微镜测定出薄膜的表面粗糙度为0.563 nm.