Al襯底熱處理對水溶液電沉積GaN薄膜的影響
前言：氮化镓（GaN）是一種利用氮作為第V族元素的最有前景的III-V半導體材料之一。在成功制備高效率藍光發光二極管之後，GaN已被認為是藍光和紫外光電子器件中最重要的材料，并近年來引起了相當大的關注。在過去的二十年裡，已經進行了大量關于GaN半導體的研究，并且已經發表了多篇關于這些半導體的合成技術的報告。
許多研究人員對各種鋁化合物（如氮化鋁（AlN）、氮化鋁镓（AlGaN）和氧化鋁（γ-Al2O3））的襯底效應進行了研究和報告，這些化合物可以改善GaN的結晶品質。高品質的GaN已經在基于鋁的中間層上生長。可以認為鋁在GaN生長中起着重要的角色。特别是在濕法工藝中，鋁比矽具有更好的導電性，可以預期鋁作為GaN薄膜的襯底材料更加适合。
為了确認每種離子在鋁表面上的電化學行為，進行了循環伏安實驗。電流響應相對于施加的電壓（V vs. Ag/AgCl）進行記錄，以三角波形進行掃描。表面形貌采用掃描電子顯微鏡（SEM, Hitachi, S-4800）進行表征，化學成分通過能量色散X射線光譜（EDX, HORIBA, EMAX ENERGY, EX-350）進行分析。
SEM測量在10 kV下進行，EDX分析在加速電壓12 kV和電流10 μA下進行。樣品的晶體品質和晶格參數通過X射線衍射（XRD, Rigaku, Ultima IV）進行表征，使用Cu-Kα1輻射源（λ = 1.541 Å）。為了檢查化學鍵合狀态，使用PerkinElmer PH1 ESCA系統進行X射線光電子能譜（XPS）測量。
使用單色Mg-Kα電離輻射（1254 eV），X射線源工作功率為300 W（15 kV和20 mA）。拉曼測量采用Horiba Jobin Yvon HR系統進行，氩離子雷射器（514.5 nm）作為激發光源。拉曼散射實驗以z（x，無偏振）z¯散射配置進行。該系統的分辨率為1 cm−1，積分時間為3000 ms。
顯示了在Al基闆上沉積的薄膜的拉曼光譜。從沉積在Al基闆上的GaN薄膜中觀察到了三個與h-GaN對應的拉曼活躍光子模式。一個模式位于144 cm−1，對應于E2 (LO)，而兩個帶位于518和718 cm−1，對應于模式A1 (TO)和E1 (LO)，在沉積在Al200HT上的薄膜中，與A1 (TO)對應的帶增強，并且還檢測到與E1 (TO)對應的570 cm−1的信号，在沉積在Al500HT上的薄膜中檢測到了較弱的帶，這是由于較厚的氧化層的影響。
結論：通過電沉積在不同溫度下熱處理的Al基底上合成了GaN薄膜。CV分析表明，從接近Ga還原電位的電位值開始，NO−3離子在沉積過程中可以通過吸附Ga和O結合，進而形成GaN薄膜。通過在熱處理于不同溫度的Al基底上施加-3.5 mA∙cm−2的電流密度，在3小時内制備了GaN薄膜。
沉積的GaN薄膜包含h-GaN和Ga2O3相的混合物。發現在Al基底上生長的GaN薄膜的結構因基底組成而異。通過EDX分析，确認了薄膜中Ga、N和O的均勻分布。拉曼分析、XRD和XPS也揭示了h-GaN的存在。在Al200HT上生長的GaN薄膜，其Al氧化層非常薄，表現出最接近單晶h-GaN的性質。生長的GaN薄膜展示了不同的生長特性，這取決于Al基底的組成和表面能。
研究中制備的GaN薄膜含有相當數量的氧，并且與單晶GaN相比晶體性不足。在形成GaN之後，可能需要進行額外的處理，在氨氣存在下高溫退火，因為向GaN薄膜中添加氧可能會引起晶格畸變或降低材料性能。通過低成本的溫度方法在Al基底上合成GaN的可能性已經得到确認，該方法可以替代目前昂貴的工藝。
