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1、Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用是目前半導(dǎo)體行業(yè)的熱點(diǎn)。GaN基半導(dǎo)體材料作為第三代半導(dǎo)體材料的代表,在高溫、高頻、微波、大功率光電子等領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展,大量的研究也證明以GaN等為代表的寬禁帶、直接帶隙半導(dǎo)體材料仍有著廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展前景。然而由于GaN熔點(diǎn)高,平衡蒸汽壓很大,GaN材料的制備極為困難并且成本極高,這也使得GaN的外延生長(zhǎng)主要在異質(zhì)襯底(如藍(lán)寶石)上進(jìn)行,但異質(zhì)襯底與GaN之間較大的晶格失配及熱失配導(dǎo)致后續(xù)生長(zhǎng)
2、的GaN外延層具有很高的位錯(cuò)密度(約為108-1010cm-2),晶體質(zhì)量比較差。這些高密度的位錯(cuò)嚴(yán)重影響了半導(dǎo)體材料的晶體質(zhì)量和光電性能。為了提高GaN外延薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量,本文從成核層的生長(zhǎng)工藝入手,通過(guò)對(duì)成核層生長(zhǎng)時(shí)的溫度和氨氣流量?jī)蓚€(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提高了GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量,并對(duì)成核層的生長(zhǎng)機(jī)理和對(duì)上層非摻雜GaN外延薄膜的影響機(jī)制作了進(jìn)一步的討論,其主要的研究成果如下:
首先,本文利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MO
3、CVD)設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了具有不同成核層生長(zhǎng)溫度(分別為610℃、630℃、650℃、670℃和690℃)的五組GaN外延薄膜樣品,并通過(guò)in-situ原位監(jiān)測(cè)以及AFM、HRXRD、PL和HALL等表征手段進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,成核層的生長(zhǎng)溫度對(duì)GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量有著重大的影響。只有在適合的溫度下,GaN成核層才會(huì)在退火后形成大小均一,密度適中的三維形核島,然后在后續(xù)的生長(zhǎng)過(guò)程中順利實(shí)現(xiàn)從3D生長(zhǎng)模式向2D生長(zhǎng)模式的
4、轉(zhuǎn)變,最終得到高質(zhì)量的GaN外延薄膜。在成核層生長(zhǎng)溫度為650℃時(shí),得到最為光滑致密的GaN外延薄膜,位錯(cuò)密度最低,光電性能最好,帶邊峰強(qiáng)度最高,載流子濃度最低,載流子遷移率最高。
除溫度外,本文還探究了氨氣流量對(duì)低溫GaN成核層生長(zhǎng)過(guò)程的影響,以及對(duì)后續(xù)高溫非摻雜GaN外延薄膜晶體質(zhì)量的影響。本實(shí)驗(yàn)仍用Aixtron公司的MOCVD設(shè)備,采用兩步生長(zhǎng)法在藍(lán)寶石襯底上制備了成核層生長(zhǎng)時(shí)氨氣流量不同(分別為A樣品400sccm、
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