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基于热氧化法的β-GaO纳米结构薄膜制备研究

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摘要

GaO是一种新型宽禁带半导体材料，超宽的带隙使其本征吸收限恰好处于

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日盲紫外波段范围。此外，GaO具有8MV/cm的理论击穿场强以及高的热稳定

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性与化学稳定性，在半导体功率器件和日盲紫外光电探测器领域具有巨大应用潜

力。β-GaO是GaO众多分相中最稳定存在的相，禁带宽度约为4.2~4.9eV，

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应用最为广泛。目前已报道的β-GaO材料的结构形态大致可以分为三类：体材

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料、薄膜材料及纳米材料。与前两者相比，纳米材料在生长过程中积累的应力较

少，可以有效降低缺陷密度，提高晶体质量。另外，纳米结构具有较大的比表面

积和较高的表面态密度，在光电探测和气体传感领域具有独特的优势。近年来，

人们对β-GaO纳米结构的合成及特性展开了多方面的研究，但是制备方式多采

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用贵重金属(Pt、Au等)作为催化剂，成本较高且容易引入其他非故意掺杂的杂质。

另外，目前对β-GaO纳米结构的微观形貌以及晶体质量的优化与调控还缺乏系

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统的研究。针对上述问题，本文采用无催化剂热氧化法制备β-GaO纳米结构薄

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膜，研究了不同形貌β-GaO之间的性能差异，并从氧气流量、氧化温度、工艺

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压强三个方面优化实验条件。主要工作内容如下：

1．对β-GaO纳米结构薄膜的制备工艺和表征方法进行了介绍。通过对比分

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析，确定了实验的主要方法为基于快速管式退火炉的热氧化法。将快速退火工艺

与材料制备相结合，具有操作简单、成本较低等优势。采用SEM、XRD、拉曼

光谱仪、PL光谱仪以及光学显微镜对β-GaO纳米结构薄膜进行表征。

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2．针对目前采用贵金属作为催化剂带来纳米结构β-GaO制备成本较高的

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问题，采用无催化剂热氧化法，提出对含Ga化合物衬底进行高温退火，原位生

长高质量β-GaO纳米层方案，分别制备出纳米线、纳米岛以及两者共存的三种

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形貌的β-GaO。我们详细分析了三种不同纳米形貌的β-GaO在晶体结构、光学

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特性方面的差异，并阐述了β-GaO纳米结构的生长机理。此外，在实验过程中

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获得了具有纳米结构表面的β-GaO体块，对不同氧化时间下的样品进行表征，

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讨论了氧化过程中β-GaO体块的形成原因。

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3．针对目前有关β-GaO纳米结构的微观形貌以及晶体质量的优化与调控

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还缺乏系统研究的问题，本文采用无催化剂热氧化工艺，以(100)晶面GaAs为衬

底，深入地研究了氧气流量、氧化温度和工艺压强对β-GaO纳米结构薄膜的影

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响。其中，氧气流量对β-GaO表面形貌的影响较大，高氧气氛促使纳米晶粒在

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