摘要
半导体照明产业的迅猛发展，使半导体发光器件的主要基础材料GaN基宽禁带半导体材料受到了前所未有的关注。但遗憾的是获得获得GaN大尺寸单晶的成本较高，因此GaN材料的应用主要依赖于异质外延膜。目前发展高亮度半导体照明所需要的高质量GaN薄膜受制于异质衬底，寻找新型GaN衬底材料是半导体照明产业的关键一环。β-Ga2O3作为新型透明导电半导体材料，结合了SiC的导电性和Al2O3的透光性，成为GaN/LED器件的全新技术路线，具备适合需要大驱动电流的高功率LED特性。 本论文顺应半导体照明产业的需要，研究了β-Ga2O3单晶的生长与性质，并探索了离子掺杂对其性能的影响。本论文的主要研究内容包括: 1、利用浮区法生长得到了高质量β-Ga2O3单晶，解决了单晶生长的开裂问题，能够稳定地生长超过Φ4cm的无宏观缺陷的单晶体。经过多次工艺改进，晶体的双晶摇摆曲线的半高全宽仅为112.5弧秒。并且研究了原料棒、生长气氛、籽晶、生长方向以及工艺条件对晶体质量的影响。对晶体内部的位错缺陷，进行了腐蚀试验，并利用光学显微镜观察了其位错密度约为6×103个/cm2。 2、研究了β-Ga2O3单晶的性能。在β-Ga2O3单晶吸收光谱上发现一个位于243nm的吸收截止边以及一个位于270nm的吸收肩。在β-Ga2O3单晶荧光光谱上，观察到了位于紫外、蓝光以及绿光范围的三个吸收峰。β-Ga2O3单晶的电导率较低，导电性能较差。 3、生长了不同浓度的Ge4+掺杂的Ge:β-Ga2O3单晶，研究了Ge4+掺杂对β-Ga2O3单晶性能的影响，包括对电学性能、光学性能的影响。Ge4+掺杂能够使禁带宽度变大，而且吸收光谱上红外部分有明显的吸收截止边，与晶体声子能量有关。Ge4+掺杂的单晶在荧光光谱上只观察到在紫外和蓝光区域的发射峰，Ge4+抑制了绿光区域的发光。Ge4+掺杂明显提高了β-Ga2O3单晶的电导率，在10-3S/cm以上，并且电导率随着掺杂浓度的提高而提高。 4、生长了不同浓度的In3+掺杂的In:β-Ga2O3单晶，研究了In3+对β-Ga2O3单晶性能的影响。In3+掺杂使β-Ga2O3单晶得禁带宽度变小，红外吸收截止边向短波长移动。In3+掺杂之后β-Ga2O3单晶的电导率在10-2S/cm以上，载流子浓度可以达到1019cm2以上，计算了In3+掺杂β-Ga2O3单晶的分凝系数为0.1。 5、为了满足对大尺寸β-Ga2O3单晶的商业需求，我们采用导模法生长了β-Ga2O3单晶，对其生长工艺进行了探索。并且对工艺改进前后晶体质量进行了研究。工艺改进后，多晶现象得到了改善，但是晶体中应力较大，位错密度较高为8×107cm2。
NETL