GaN單晶的HVPE生長及其應(yīng)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(dǎo)率，高化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)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(lán)寶石、SiC等單晶襯底上進(jìn)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(yīng)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(shè)備相對簡單，所需成本較低等優(yōu)點，因此被認(rèn)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(shù)降低位錯密度和殘余應(yīng)力，利用EBSD技術(shù)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(yīng)力的方法，得到了異質(zhì)襯底外延生長GaN中的應(yīng)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(dāng)GaCl載氣流量為1.3slm時樣品具有最低的殘余壓應(yīng)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(jìn)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。
　?、蒲芯苛肆姿岣g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(jìn)行腐蝕，會出現(xiàn)常見的六邊形腐蝕坑，當(dāng)延長腐蝕時間到腐蝕坑的深度達(dá)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(jié)構(gòu)。我們根據(jù)六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)對稱性和晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石/MOCVD-GaN襯底進(jìn)行HVPE生長，在生長GaN厚度較大時能夠?qū)崿F(xiàn)自剝離，獲得自支撐GaN晶體，在生長時十二面錐形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榱驽F。通過拉曼光譜對HVPE生長GaN晶體的應(yīng)

6、力進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示自支撐GaN晶體中的應(yīng)力遠(yuǎn)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(lán)寶石/MOCVD-GaN襯底上進(jìn)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(lán)寶石襯底之間的晶體取向關(guān)系是c面相互平行，GaN晶格在面內(nèi)相對于藍(lán)寶石襯底晶格發(fā)生了30°的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)這一晶體取向關(guān)系和晶格參數(shù)，分別使用兩種方法計算得到GaN和藍(lán)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(lán)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(yīng)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(yīng)力。
　　⑷利用EBSD技術(shù)得到的晶體取向信息，分析了藍(lán)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(yīng)力的新方法。我們使用這種方法分析了藍(lán)寶石襯底/GaN異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)GaN晶體的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力分布的規(guī)律是距離襯底越近時應(yīng)力越大，隨著厚度增加應(yīng)力值減小，達(dá)到一定厚度之后應(yīng)力值保持不變。同時，我們對這一異質(zhì)外延體系中GaN的應(yīng)力進(jìn)行了理論計算，并使用拉曼光譜對應(yīng)力分布進(jìn)行了驗證。這種利用EBSD分析晶體材料中應(yīng)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。
　?、赏ㄟ^EBSD技術(shù)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(guān)系進(jìn)行了分析，并與藍(lán)寶石襯底生長GaN的晶體取向關(guān)系進(jìn)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(zhuǎn)，這和藍(lán)寶石襯底是不同的。根據(jù)晶體取向關(guān)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