GaN材料位錯(cuò)按深度分布的表征及位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷關(guān)系的研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料(GaN，AlN，InN)及其電子和光電器件已成為半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。GaN具有高熔點(diǎn)(2300℃)、低分解點(diǎn)(約900℃)的特點(diǎn)，目前其材料制備的主流工藝為異質(zhì)外延技術(shù)。與襯底之間的晶格失配和熱失配使得異質(zhì)外延的GaN薄膜通常具有較高的位錯(cuò)密度(108～1010cm-2)，極大地限制了GaN基器件的性能和可靠性。常用的位錯(cuò)表征方法如蝕坑法、綴飾法、電鏡法等對(duì)被測(cè)材料具有破壞性。X射線衍射(XRD)法能夠?qū)a

2、N材料作無(wú)損檢測(cè)，但常規(guī)測(cè)試不能獲得位錯(cuò)類型及其密度在薄膜深度上的分布，而該分布信息對(duì)GaN材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、缺陷形成機(jī)理和抑制方法以及GaN器件的性能和可靠性分析等研究具有重要意義。在XRD研究位錯(cuò)沿GaN單晶材料深度方向的分布方面，目前的研究只能得到螺位錯(cuò)、刃位錯(cuò)和混合位錯(cuò)導(dǎo)致的傾轉(zhuǎn)(Tilt)和扭轉(zhuǎn)(Twist)的綜合量，而無(wú)法將這幾種效應(yīng)區(qū)分開(kāi)。在此背景下，本文對(duì)GaN材料中的位錯(cuò)密度按深度分布的表征測(cè)量方法展開(kāi)研究，并以GaN

3、光致發(fā)光譜中的黃帶現(xiàn)象為紐帶對(duì)刃位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷之間的關(guān)系進(jìn)行研究，主要的研究工作及成果如下：
　　 1.給出了將GaN材料沿深度方向分為多個(gè)薄層，以XRD搖擺曲線(XRC)自頂向下逐個(gè)薄層測(cè)量GaN材料位錯(cuò)按深度分布的完整原理模型，以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的具體實(shí)施方案和數(shù)據(jù)處理方法。
　　 2.根據(jù)鑲嵌結(jié)構(gòu)GaN材料的傾轉(zhuǎn)(Tilt)和扭轉(zhuǎn)(Twist)與螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)的聯(lián)系，提出了實(shí)現(xiàn)不同類型位錯(cuò)按深度分布的測(cè)量對(duì)晶面的選擇原則，

4、實(shí)現(xiàn)了螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)各自在深度分布上的測(cè)量，突破了常規(guī)按深度分布測(cè)量不能很好的區(qū)分出Tilt和Twist的局限，得到按深度分布表征螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)效果最好的原子面分別為(103)面和(101)面，并將該測(cè)量方法在其他材料結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了一般化推廣。根據(jù)測(cè)得XRC的FWHM值同測(cè)量原子面傾角的相關(guān)性，通過(guò)擬合方法得到GaN材料(101)面的刃位錯(cuò)系數(shù)為1.0961。
　　 3.基于上述方法研究了具有AlN體插入層的藍(lán)寶石襯底GaN外延材

5、料中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)不管是螺位錯(cuò)還是刃位錯(cuò)，其在成核層附近具有最高的密度，并且在成核層上方約150nm(該厚度與襯底和成核條件等有關(guān))范圍內(nèi)出現(xiàn)一次集中的湮滅導(dǎo)致位錯(cuò)密度劇烈的下降。AlN體插入層雖然在短程范圍內(nèi)會(huì)引入更多的刃型位錯(cuò)，但整體上講其能有效促進(jìn)刃位錯(cuò)的湮滅，并在一定程度上也能促使螺位錯(cuò)的湮滅。
　　 4.提出了以XRD2θ-ω掃描研究GaN薄膜材料的應(yīng)變按深度分布的原理模型和數(shù)據(jù)處理方法。對(duì)具有AlN體插入層的藍(lán)

6、寶石襯底GaN外延材料的應(yīng)變按深度分布的研究發(fā)現(xiàn)GaN材料所受應(yīng)力類型為壓應(yīng)力，應(yīng)變隨深度的變化趨勢(shì)同位錯(cuò)變化趨勢(shì)有較強(qiáng)的相關(guān)性，提出了位錯(cuò)的產(chǎn)生或湮滅在一定程度上會(huì)導(dǎo)致晶格常數(shù)變化的觀點(diǎn)。最后通過(guò)Raman散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了我們的分析。
　　 5.通過(guò)第一性原理計(jì)算分析MOCVD生長(zhǎng)環(huán)境下生長(zhǎng)的GaN材料中本征點(diǎn)缺陷的存在情況，表明不論是富N或準(zhǔn)富N生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)的GaN薄膜體材料，只要其為n型電導(dǎo)，則與本征點(diǎn)缺陷相關(guān)的缺陷中Ga