Al衬底热处理对水溶液电沉积GaN薄膜的影响
前言：氮化镓（GaN）是一种利用氮作为第V族元素的最有前景的III-V半导体材料之一。在成功制备高效率蓝光发光二极管之后，GaN已被认为是蓝光和紫外光电子器件中最重要的材料，并近年来引起了相当大的关注。在过去的二十年里，已经进行了大量关于GaN半导体的研究，并且已经发表了多篇关于这些半导体的合成技术的报告。
许多研究人员对各种铝化合物（如氮化铝（AlN）、氮化铝镓（AlGaN）和氧化铝（γ-Al2O3））的衬底效应进行了研究和报告，这些化合物可以改善GaN的结晶质量。高质量的GaN已经在基于铝的中间层上生长。可以认为铝在GaN生长中起着重要的角色。特别是在湿法工艺中，铝比硅具有更好的导电性，可以预期铝作为GaN薄膜的衬底材料更加适合。
为了确认每种离子在铝表面上的电化学行为，进行了循环伏安实验。电流响应相对于施加的电压（V vs. Ag/AgCl）进行记录，以三角波形进行扫描。表面形貌采用扫描电子显微镜（SEM, Hitachi, S-4800）进行表征，化学成分通过能量色散X射线光谱（EDX, HORIBA, EMAX ENERGY, EX-350）进行分析。
SEM测量在10 kV下进行，EDX分析在加速电压12 kV和电流10 μA下进行。样品的晶体质量和晶格参数通过X射线衍射（XRD, Rigaku, Ultima IV）进行表征，使用Cu-Kα1辐射源（λ = 1.541 Å）。为了检查化学键合状态，使用PerkinElmer PH1 ESCA系统进行X射线光电子能谱（XPS）测量。
使用单色Mg-Kα电离辐射（1254 eV），X射线源工作功率为300 W（15 kV和20 mA）。拉曼测量采用Horiba Jobin Yvon HR系统进行，氩离子激光器（514.5 nm）作为激发光源。拉曼散射实验以z（x，无偏振）z¯散射配置进行。该系统的分辨率为1 cm−1，积分时间为3000 ms。
显示了在Al基板上沉积的薄膜的拉曼光谱。从沉积在Al基板上的GaN薄膜中观察到了三个与h-GaN对应的拉曼活跃光子模式。一个模式位于144 cm−1，对应于E2 (LO)，而两个带位于518和718 cm−1，对应于模式A1 (TO)和E1 (LO)，在沉积在Al200HT上的薄膜中，与A1 (TO)对应的带增强，并且还检测到与E1 (TO)对应的570 cm−1的信号，在沉积在Al500HT上的薄膜中检测到了较弱的带，这是由于较厚的氧化层的影响。
结论：通过电沉积在不同温度下热处理的Al基底上合成了GaN薄膜。CV分析表明，从接近Ga还原电位的电位值开始，NO−3离子在沉积过程中可以通过吸附Ga和O结合，从而形成GaN薄膜。通过在热处理于不同温度的Al基底上施加-3.5 mA∙cm−2的电流密度，在3小时内制备了GaN薄膜。
沉积的GaN薄膜包含h-GaN和Ga2O3相的混合物。发现在Al基底上生长的GaN薄膜的结构因基底组成而异。通过EDX分析，确认了薄膜中Ga、N和O的均匀分布。拉曼分析、XRD和XPS也揭示了h-GaN的存在。在Al200HT上生长的GaN薄膜，其Al氧化层非常薄，表现出最接近单晶h-GaN的性质。生长的GaN薄膜展示了不同的生长特性，这取决于Al基底的组成和表面能。
研究中制备的GaN薄膜含有相当数量的氧，并且与单晶GaN相比晶体性不足。在形成GaN之后，可能需要进行额外的处理，在氨气存在下高温退火，因为向GaN薄膜中添加氧可能会引起晶格畸变或降低材料性能。通过低成本的温度方法在Al基底上合成GaN的可能性已经得到确认，该方法可以替代目前昂贵的工艺。
