基于磁控濺射AlN上的GaN材料MOCVD外延生長(zhǎng)研究.pdf

1、近幾年來(lái)，Si基GaN的研究受到了人們的廣泛關(guān)注。Si襯底不僅同時(shí)具備良好的熱導(dǎo)率與低廉的成本，而且還能與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，最為人們所看好。雖然成核層技術(shù)的出現(xiàn)使得一些與GaN晶格失配較大的襯底上能夠獲得高結(jié)晶質(zhì)量且具有表面形貌的材料，但采用MOCVD生長(zhǎng)的成核層還是對(duì)襯底具有一定的依賴(lài)性，導(dǎo)致在一些晶格失配更大（Si<100>）或者同時(shí)具有較大晶格失配和熱失配(Si<111>)的襯底上難以獲取高質(zhì)量的GaN材料，限制了GaN應(yīng)用領(lǐng)

2、域的進(jìn)一步擴(kuò)展。而磁控濺射是一種對(duì)襯底依賴(lài)性很弱的一種薄膜技術(shù)，如果能在磁控濺射的AlN上外延生長(zhǎng)出具有低缺陷密度并具有良好表面形貌的GaN材料，理論上就可以在任何一種耐高溫材料上濺射的AlN上外延出GaN材料。而在本文之前，很少有關(guān)于在磁控濺射基礎(chǔ)上通過(guò)MOCVD進(jìn)行再生長(zhǎng)的研究。因此本文主要研究目的是對(duì)濺射于藍(lán)寶石襯底的AlN上生長(zhǎng)GaN進(jìn)行探索研究。本文的主要工作和結(jié)果如下：
　　(1)為了去除磁控濺射AlN界面處的O雜質(zhì)，

3、我們采用了MOCVD原位去除雜質(zhì)的方法。通過(guò)比較不同的氮化時(shí)間和氨氣流量，我們發(fā)現(xiàn)去除O雜質(zhì)需要經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的氮化過(guò)程，而且氨氣流量必須在一個(gè)很高的水平以保證化學(xué)反應(yīng)向還原方向進(jìn)行。氮化時(shí)間過(guò)短或者氨氣流量不足都會(huì)導(dǎo)致氮化不充分，使AlN界面處存在大量的氧化鋁，而由于材料生長(zhǎng)的各向異性，在此基礎(chǔ)上生長(zhǎng)出來(lái)的GaN材料結(jié)晶質(zhì)量和電學(xué)特性都較差。高氮化溫度能夠取得很好的氮化效果，而且能夠通過(guò)對(duì)位錯(cuò)的優(yōu)先刻蝕使得材料的結(jié)晶質(zhì)量逐步提高，但

4、由于高溫對(duì)材料表面的損傷會(huì)使界面處吸附較多的O雜質(zhì)，從而惡化電學(xué)特性。
　　(2)為了獲得高結(jié)晶質(zhì)量與表面形貌的GaN材料，我們采用了不同的GaN層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過(guò)在外延時(shí)先生長(zhǎng)一層低Ⅴ-ⅢGaN以促進(jìn)橫向生長(zhǎng)，使得材料的螺位錯(cuò)密度由2.81×108cm-2下降到了2.30×107 cm-2，下降了超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)；而增加GaN層厚度時(shí)，刃位錯(cuò)密度由2.81×108 cm-2下降到了6.11×107cm-2，刃位錯(cuò)密度由6.16×

5、108 cm-2下降到了2.93×108 cm-2，并且表面的均方根粗糙度（RMS）達(dá)到了0.149nm。另外通過(guò)測(cè)量拉曼光譜，我們發(fā)現(xiàn)在增加GaN厚度時(shí)，材料所受的壓應(yīng)力狀態(tài)并沒(méi)有改變，已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)穩(wěn)態(tài)。
　　(3)為了獲得高阻的GaN材料，我們?cè)诖趴貫R射AlN與GaN之間加入了一層MOCVD外延的AlN，以緩和兩種不同材料和生長(zhǎng)方式所造成的突變。通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)AlN時(shí)的Ⅴ-Ⅲ比，我們獲得了高阻的GaN材料，其阻值達(dá)到了105Ω

6、/□,而且使材料的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)一步提高。
　　(4)為了研究AlN的生長(zhǎng)模式，我們通過(guò)設(shè)計(jì)了變AlN厚度的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)XRD、AFM等表征手段，我們發(fā)現(xiàn)外延AlN的生長(zhǎng)并沒(méi)有經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)先成核再合并生長(zhǎng)的過(guò)程，而是直接進(jìn)行二維共格生長(zhǎng)。
　　綜上所述，本文通過(guò)對(duì)基于磁控濺射AlN的GaN材料生長(zhǎng)工藝進(jìn)行研究，得到了具有高結(jié)晶質(zhì)量和良好表面形貌的高阻GaN材料，螺位錯(cuò)密度最低為1.01×107cm-2，刃位錯(cuò)密度最低位2.93×108