鍍銅玻璃襯底上GaN薄膜的低溫制備及其性能研究.pdf

1、由于氮化鎵(GaN)材料具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能、電學(xué)性能和光學(xué)性能，使其在發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和紫外(UV)光電探測器等光電子器件以及微電子器件方面都有著非常廣泛的應(yīng)用。近年來，盡管GaN基器件有著快速驚人的發(fā)展，但仍然存在著許多問題，阻礙了其進一步的發(fā)展。眾所周知:襯底材料對GaN基器件的發(fā)展是十分重要的，它不僅會影響薄膜的晶體質(zhì)量，也會影響器件的性能，因此襯底的選擇是非常重要的。目前，器件所用的GaN薄膜的沉積主要采

2、用藍寶石(α-Al2O3)、Si和SiC作為襯底材料，但他們都存在一些缺點，如:α-Al2O3襯底絕緣、導(dǎo)熱性能差(33W/mK)、硬度高、尺寸小，以致GaN基器件的散熱差、制備工藝復(fù)雜;SiC不但硬度高而且成本昂貴，限制了該襯底的進一步開發(fā)和應(yīng)用;雖然Si具有價格低廉、易于解理、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好以及便于大尺寸生產(chǎn)等優(yōu)點，但是Si材料禁帶寬度小，對光的吸收嚴重，限制了光的輸出、影響器件的發(fā)光效率。而金屬襯底除了具有α-Al2O3、 Si

3、C和Si襯底都無法比擬的優(yōu)良的機械性能、導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能外，還兼有廉價、大面積和反光等優(yōu)點?？梢娊饘僖r底不僅可以改善器件的散熱性能，還可以直接作為器件的電極使用，另外兼有反光的作用，能進一步提高GaN基LED的亮度。于是～些研究組采用鍵合和激光剝離技術(shù)將生長在α-Al2O3襯底上的GaN薄膜剝離下來轉(zhuǎn)移到金屬銅(Cu)襯底上制備，雖然器件的性能有很大的改善，但其制造工藝過程復(fù)雜、成品率不高。因此直接在金屬襯底上沉積GaN薄膜具有很高的

4、研究價值。
　　目前，有些研究組報道了以單晶Cu、Ag、Fe、Mo和多晶W、Ta、Nb等金屬為襯底沉積GaN薄膜，主要的制備方法有金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)和脈沖激光沉積(PLD)。其中MOCVD和MBE設(shè)備的沉積溫度較高，而高沉積溫度不僅會加劇金屬粒子向GaN薄膜中的擴散，還會加劇金屬襯底與GaN薄膜產(chǎn)生有害的界面反應(yīng)，增大金屬襯底與GaN薄膜之間因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，所以難以沉積出高質(zhì)

5、量的GaN薄膜。
　　本文在實驗中采用的是電子回旋共振-等離子體增強金屬有機物化學(xué)氣相沉積(ECR-PEMOCVD)設(shè)備，此設(shè)備采用了ECR等離子體源活化技術(shù)，在低氣壓下可產(chǎn)生非平衡等離子體，使氮氣(N2)易于分解，可大大降低GaN薄膜的沉積溫度。此外本文采用廉價的鍍Cu玻璃（Cu/Glass）為襯底，與價格較高的單晶金屬相比，可大大降低實驗成本。
　　首先，本文在普通玻璃襯底上采用射頻磁控濺射法沉積一層具有(111)擇優(yōu)取

6、向的Cu薄膜，然后采用ECR-PEMOCVD設(shè)備，以三甲基鎵(TM Ga)和高純N2作為Ga源和N源，以Cu/Glass為襯底沉積GaN薄膜。并且利用反射高能電子衍射（RHEED）、X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、室溫光致發(fā)光(PL)譜和電流-電壓(I-V)特性測試手段，研究了TMGa流量和沉積溫度對GaN薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌、光學(xué)性能以及電學(xué)性能的影響，得出了GaN薄膜適宜的生長工藝參數(shù)。
　　通過實驗結(jié)果可知