GaN單晶的HVPE生長及其應力和晶體取向研究.pdf

1、GaN晶體材料因其具有較高的電子遷移率和熱導率，高化學穩(wěn)定性，耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應用于光電子器件和高頻微波器件，但是由于缺乏GaN單晶襯底材料，目前器件大多是在藍寶石、SiC等單晶襯底上進行異質(zhì)外延制備而成，由于襯底材料和外延生長的器件之間存在較大的晶格失配和熱失配，造成了在經(jīng)過高溫生長的器件中殘余有較大的應力，大大降低了器件的性能，而獲得自支撐GaN單晶襯底材料可以在根本上解決這些問題。氫化物氣相外延(Hydride VaporPh

2、ase Epitaxy-HVPE)方法生長GaN單晶，具有生長速率高，設備相對簡單，所需成本較低等優(yōu)點，因此被認為是生長GaN晶體最具有前景的生長方法。本文采用HVPE方法生長GaN晶體，并通過使用圖形襯底、腐蝕襯底等技術降低位錯密度和殘余應力，利用EBSD技術分析異質(zhì)外延系統(tǒng)中的晶體取向和晶格失配，并提出了一種由晶體取向計算應力的方法，得到了異質(zhì)襯底外延生長GaN中的應力分布。主要研究內(nèi)容包括：
　?、叛芯苛薌aCl載氣流量對G

3、aN晶體質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)在GaCl載氣流量為1.3slm時(0002)和(10-12)衍射峰半峰寬最小，說明此時生長的晶體位錯密度最低質(zhì)量最好。室溫PL測試發(fā)現(xiàn)每個樣品都具有很強的帶邊發(fā)射峰，僅在GaCl載氣流量較高時生長的GaN單晶樣品處2.26-2.29eV處存在一個很弱的黃光發(fā)射峰，說明樣品質(zhì)量較好;通過拉曼光譜E2(high)峰位的移動，發(fā)現(xiàn)當GaCl載氣流量為1.3slm時樣品具有最低的殘余壓應力為0.36GPa; AFM表征

4、樣品的表面形貌發(fā)現(xiàn)GaN單晶的生長都是臺階流生長模式。六方GaN晶體的A1(LO)峰是LOPC模式，對峰形進行了擬合，得到了不同GaCl載氣流量下生長GaN單晶樣品的載流子濃度和遷移率。
　　⑵研究了磷酸腐蝕對MOCVD-GaN腐蝕坑形貌的影響，并利用腐蝕襯底生長出自支撐GaN晶體。首先研究了腐蝕時間對腐蝕坑形貌和大小的影響，利用磷酸短時間對MOCVD-GaN進行腐蝕，會出現(xiàn)常見的六邊形腐蝕坑，當延長腐蝕時間到腐蝕坑的深度達到了M

5、OCVD-GaN層厚度時，磷酸能夠腐蝕到N面GaN，就會產(chǎn)生了獨特的十二面錐形結構。我們根據(jù)六方纖鋅礦結構對稱性和晶體結構參數(shù)，計算出該結構出現(xiàn)了兩套晶面，其晶面指數(shù)分別是(4，-1，-3，-4)和(3，1，-4，-4)。利用這種具有N面腐蝕十二面錐形結構的藍寶石/MOCVD-GaN襯底進行HVPE生長，在生長GaN厚度較大時能夠實現(xiàn)自剝離，獲得自支撐GaN晶體，在生長時十二面錐形貌轉變?yōu)榱驽F。通過拉曼光譜對HVPE生長GaN晶體的應

6、力進行了分析，結果顯示自支撐GaN晶體中的應力遠小于普通襯底生長的樣品。
　?、茄芯苛嗽诰哂辛街芷谂帕蠸iO2圖形掩模的藍寶石/MOCVD-GaN襯底上進行HVPE生長GaN晶體的生長規(guī)律。通過EBSD的菊池衍射花樣和極圖分析，確定了異質(zhì)外延體系中GaN和藍寶石襯底之間的晶體取向關系是c面相互平行，GaN晶格在面內(nèi)相對于藍寶石襯底晶格發(fā)生了30°的旋轉。根據(jù)這一晶體取向關系和晶格參數(shù)，分別使用兩種方法計算得到GaN和藍寶石襯底之

7、間的晶格失配為16.1％和13.8％。由于較大的晶格失配和熱失配的存在，藍寶石襯底上生長GaN的晶體取向偏離理想方向的程度在靠近界面處最大，隨著生長厚度增加后逐漸接近理想方向。通過拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)圖形襯底上生長的GaN晶體的殘余應力，比平板襯底上生長的GaN晶體大大下降，說明圖形襯底產(chǎn)生空隙的生長模式能夠有效的釋放GaN晶體中的應力。
　?、壤肊BSD技術得到的晶體取向信息，分析了藍寶石襯底上異質(zhì)外延生長GaN晶體中晶體取向分布

8、情況，提出了一種利用晶體取向信息計算晶體中應力的新方法。我們使用這種方法分析了藍寶石襯底/GaN異質(zhì)外延結構GaN晶體的應力分布情況，發(fā)現(xiàn)了應力分布的規(guī)律是距離襯底越近時應力越大，隨著厚度增加應力值減小，達到一定厚度之后應力值保持不變。同時，我們對這一異質(zhì)外延體系中GaN的應力進行了理論計算，并使用拉曼光譜對應力分布進行了驗證。這種利用EBSD分析晶體材料中應力的方法也可以推廣到其他晶體材料中。由于EBSD測試具有的獨特優(yōu)勢，這種理論的

9、提出為分析晶體材料的性質(zhì)提供了新的思路。
　　⑸通過EBSD技術分析了6H-SiC襯底上HVPE生長GaN晶體的晶體取向，對外延體系的晶體取向關系進行了分析，并與藍寶石襯底生長GaN的晶體取向關系進行了比較，發(fā)現(xiàn)在6H-SiC襯底上生長的GaN晶體取向沒有發(fā)生相對襯底的旋轉，這和藍寶石襯底是不同的。根據(jù)晶體取向關系和晶格參數(shù)，計算了GaN和6H-SiC襯底之間的晶格失配，發(fā)現(xiàn)其失配度很小，因此能夠有效降低外延生長GaN的位錯密度和