利用多孔襯底HVPE生長GaN單晶及其不同晶面性質(zhì)的研究.pdf

1、第三代半導體GaN材料因其優(yōu)異的性能，被廣泛地應用于短波長光電子器件和高頻微波器件。目前大部分的GaN器件都是在異質(zhì)襯底上外延生長制作的，由于GaN材料與襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，導致GaN器件內(nèi)部存在較大的位錯密度和殘余應力，損害了GaN器件的性能和使用壽命。在GaN單晶襯底上同質(zhì)外延生長制備GaN器件是解決該問題的根本方法。氫化物氣相外延法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)被認為是最具有潛

2、力的生長GaN晶體的方法。目前大部分GaN器件都是c向生長的，極化效應導致的內(nèi)建電場會使c面GaN光電器件的發(fā)光波長紅移，發(fā)光效率降低，大大降低了GaN光電器件的性能。采用非極性面GaN襯底制備光電器件可以消除極化效應的影響，目前最有前景的生長非極性面GaN襯底的方法是利用HVPE生長出c面GaN體單晶，通過定向切割GaN體單晶得到非極性面GaN襯底。
　　本文的主要工作是對HVPE生長GaN單晶的生長工藝進行了優(yōu)化，開發(fā)了一種兩

3、步腐蝕制備多孔襯底的方法，并在兩步腐蝕襯底上生長出了高質(zhì)量的自支撐GaN單晶，對自支撐GaN單晶進行定向切割，得到了不同晶面的GaN晶片，對不同晶面的GaN晶片的晶體質(zhì)量和物理化學性能進行了研究。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)研究了原料氣體流量對GaN晶體生長和單晶性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)NH3流量為2000sccm時生長的GaN晶體具有最高的晶體質(zhì)量和最好的光學性能。NH3流量從成核島密度和側(cè)向生長速率兩個方面影響GaN晶體的生長。隨著

4、NH3流量的增加，成核島密度增加，側(cè)向生長速率降低，NH3流量在2000sccm時的生長的GaN同時具有較大的成核島密度與較高的側(cè)向生長速率。研究發(fā)現(xiàn)當NH3流量在2000sccm時，GaN晶體的表面形貌最好，晶體合并完整，沒有明顯的六方形坑;GaN晶體的(002)和(102)晶面的衍射峰半峰寬均最小，GaN晶體結(jié)晶質(zhì)量最高，位錯密度最低;GaN的帶邊發(fā)射峰最強，黃光帶與綠光帶最弱，說明樣品的質(zhì)量較好，具有最低的位錯密度和最低的點缺陷濃

5、度。通過拉曼散射譜E2（high）拉曼峰峰位的移動，發(fā)現(xiàn)NH3流量為1800sccm與2000sccm時的GaN晶體的殘余應力較NH3流量為2200sccm時的GaN晶體大，說明GaN晶體在NH3為2000sccm時以2D生長為主。
　　(2)開發(fā)了一種電化學腐蝕與磷酸腐蝕相結(jié)合的兩步腐蝕工藝制備多孔襯底的方法，并利用兩步腐蝕襯底生長出了2英寸自支撐GaN單晶。熱磷酸通過電化學腐蝕得到的腐蝕孔道輸運到MOCVD-GaN內(nèi)部，由于G

6、aN晶體的N極性面比Ga極性面具有更高的化學活性，通過兩步腐蝕的方法可以得到表面平整內(nèi)部孔隙率高的多孔襯底。采用兩步腐蝕襯底作為籽晶進行HVPE生長，由于兩步腐蝕襯底具有較大的孔隙率，HVPE生長得到的GaN晶體與襯底的連接較弱，GaN晶體在降溫后自行與襯底分離，得到了兩英寸自支撐的GaN單晶。在兩步腐蝕襯底上生長的GaN晶體的(002)和(102)晶面的雙晶搖擺曲線半峰寬均小于在普通襯底上生長的GaN晶體的搖擺曲線半峰寬;PL測試發(fā)現(xiàn)

7、在兩步腐蝕襯底上生長的GaN晶體的帶邊發(fā)射峰強度高于在普通襯底上生長的GaN晶體，光學質(zhì)量更高;拉曼測試表明在兩步腐蝕襯底上生長的GaN晶體接近無應力狀態(tài);EBSD測試表明兩步腐蝕襯底中腐蝕得到的多孔緩沖層結(jié)構(gòu)對GaN晶體中應力的降低起到了重要的作用。
　　(3)對在兩步腐蝕襯底上生長得到了高質(zhì)量大厚度的自支撐GaN單晶進行加工，得到了Ga極性面，N極性面和非極性m面的GaN晶片，并分別對其質(zhì)量和性質(zhì)進行了研究。加工之后Ga極性面

8、GaN晶片的衍射峰半峰寬僅為160arcsec，相比加工之前大大降低，非極性m面GaN晶片的衍射峰半峰寬僅為212arcsec，說明加工得到的非極性m面GaN晶片具有很高的晶體質(zhì)量;拉曼測試表明，加工得到的不同晶面的GaN晶片具有良好的晶體取向，對不同晶面的GaN晶片的E2（high）拉曼峰進行分析，發(fā)現(xiàn)GaN晶體內(nèi)部應力分布均勻;PL測試表明，加工得到的不同晶面的GaN晶片均具有很高的發(fā)光強度。
　　(4)系統(tǒng)研究了GaN晶體不

9、同晶面的電催化性能，發(fā)現(xiàn)了GaN晶體的非極性m面具有良好的催化活性和催化穩(wěn)定性。線性伏安掃描曲線表明非極性m面GaN晶片在酸性條件下電催化析氫，在堿性條件下電催化析氫與在堿性條件下電催化析氧的過程中均具有更低的過電位與更低的Tafel斜率，表現(xiàn)出高于Ga極性面GaN晶體與N極性面GaN晶體的催化活性。通過密度泛函計算得知，活性H（H*）在GaN材料的非極性m面具有更低的吸附自由能導致非極性m面GaN具有更高的電催化活性。通過I-t和e-