利用多孔襯底HVPE生長(zhǎng)GaN單晶及其不同晶面性質(zhì)的研究.pdf

1、第三代半導(dǎo)體GaN材料因其優(yōu)異的性能，被廣泛地應(yīng)用于短波長(zhǎng)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(zhǎng)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(dǎo)致GaN器件內(nèi)部存在較大的位錯(cuò)密度和殘余應(yīng)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(zhǎng)制備GaN器件是解決該問(wèn)題的根本方法。氫化物氣相外延法(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)被認(rèn)為是最具有潛

2、力的生長(zhǎng)GaN晶體的方法。目前大部分GaN器件都是c向生長(zhǎng)的，極化效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)建電場(chǎng)會(huì)使c面GaN光電器件的發(fā)光波長(zhǎng)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(yīng)的影響，目前最有前景的生長(zhǎng)非極性面GaN襯底的方法是利用HVPE生長(zhǎng)出c面GaN體單晶，通過(guò)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(duì)HVPE生長(zhǎng)GaN單晶的生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，開(kāi)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(zhǎng)出了高質(zhì)量的自支撐GaN單晶，對(duì)自支撐GaN單晶進(jìn)行定向切割，得到了不同晶面的GaN晶片，對(duì)不同晶面的GaN晶片的晶體質(zhì)量和物理化學(xué)性能進(jìn)行了研究。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)研究了原料氣體流量對(duì)GaN晶體生長(zhǎng)和單晶性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)NH3流量為2000sccm時(shí)生長(zhǎng)的GaN晶體具有最高的晶體質(zhì)量和最好的光學(xué)性能。NH3流量從成核島密度和側(cè)向生長(zhǎng)速率兩個(gè)方面影響GaN晶體的生長(zhǎng)。隨著

4、NH3流量的增加，成核島密度增加，側(cè)向生長(zhǎng)速率降低，NH3流量在2000sccm時(shí)的生長(zhǎng)的GaN同時(shí)具有較大的成核島密度與較高的側(cè)向生長(zhǎng)速率。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)NH3流量在2000sccm時(shí)，GaN晶體的表面形貌最好，晶體合并完整，沒(méi)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(cuò)密度最低;GaN的帶邊發(fā)射峰最強(qiáng)，黃光帶與綠光帶最弱，說(shuō)明樣品的質(zhì)量較好，具有最低的位錯(cuò)密度和最低的點(diǎn)缺陷濃

5、度。通過(guò)拉曼散射譜E2（high）拉曼峰峰位的移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)NH3流量為1800sccm與2000sccm時(shí)的GaN晶體的殘余應(yīng)力較NH3流量為2200sccm時(shí)的GaN晶體大，說(shuō)明GaN晶體在NH3為2000sccm時(shí)以2D生長(zhǎng)為主。
　　(2)開(kāi)發(fā)了一種電化學(xué)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(zhǎng)出了2英寸自支撐GaN單晶。熱磷酸通過(guò)電化學(xué)腐蝕得到的腐蝕孔道輸運(yùn)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(xué)活性，通過(guò)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(jìn)行HVPE生長(zhǎng)，由于兩步腐蝕襯底具有較大的孔隙率，HVPE生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的GaN晶體的搖擺曲線半峰寬;PL測(cè)試發(fā)現(xiàn)

7、在兩步腐蝕襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體的帶邊發(fā)射峰強(qiáng)度高于在普通襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體，光學(xué)質(zhì)量更高;拉曼測(cè)試表明在兩步腐蝕襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體接近無(wú)應(yīng)力狀態(tài);EBSD測(cè)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(duì)GaN晶體中應(yīng)力的降低起到了重要的作用。
　　(3)對(duì)在兩步腐蝕襯底上生長(zhǎng)得到了高質(zhì)量大厚度的自支撐GaN單晶進(jìn)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(duì)其質(zhì)量和性質(zhì)進(jìn)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(shuō)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(cè)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(duì)不同晶面的GaN晶片的E2（high）拉曼峰進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)GaN晶體內(nèi)部應(yīng)力分布均勻;PL測(cè)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(qiáng)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(guò)程中均具有更低的過(guò)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(guò)密度泛函計(jì)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(dǎo)致非極性m面GaN具有更高的電催化活性。通過(guò)I-t和e-