金屬Ni襯底上GaN薄膜的低溫ECR-PEMOCVD生長及其性能影響機制研究.pdf

1、氮化鎵(GaN)具有直接帶隙寬(3.39eV)、飽和速度高(3×107cm/s)以及其他優(yōu)良的性能，這些優(yōu)點使它成為繼硅之后重要的半導體材料之一。目前，GaN材料在光電子器件(例如:半導體發(fā)光二極管LEDs和半導體激光器LDs)和微電子器件（例如:高溫、高功率、高頻晶體管）等方面有著廣泛的應用。GaN基器件在過去的幾十年中有著快速而驚人的發(fā)展，但仍有許多問題有待于進一步解決。
　　眾所周知，襯底材料對GaN基器件有著巨大的影響。由

2、于氮原子(N)在鎵(Ga)金屬中的低溶解度和在GaN中的高蒸汽壓，因此，沉積大面積單晶GaN襯底十分困難。目前GaN薄膜的制備主要采用高溫金屬有機物化學氣相沉積技術(shù)(MOCVD)，襯底材料多選擇單晶藍寶石（α-Al2O3)或SiC。然而，α-Al2O3襯底的導電性和散熱性均較差，且其與GaN之間存在較大的晶格失配，這些缺點大大影響了后續(xù)GaN器件的結(jié)構(gòu)與性能。與α-Al2O3襯底相比，SiC襯底價格昂貴且面積小，這導致其并不適合實際應用

3、。相反，金屬具有良好的導熱性和散熱性，價格低廉且適合大面積沉積，這些優(yōu)點使得金屬可以做為襯底材料沉積GaN薄膜，以實現(xiàn)后續(xù)GaN基器件中電流的垂直傳輸。本文使用金屬鎳(Ni)作為襯底材料，Ni具有優(yōu)良的導電及散熱性能、與GaN之間存在相對小的晶格失配、耐高溫、耐腐蝕、高反射性、以及成本低和可大面積沉積等特點，這些特點可以大大改善后續(xù)GaN基器件的性能。
　　本文采用電子回旋共振—等離子體增強金屬有機物化學氣相沉積(ECR-PEMO

4、CVD)技術(shù)，分別以三甲基鎵(TMGa)和高純N2作為Ga源和N源，以金屬Ni為襯底，低溫沉積出高c軸擇優(yōu)的GaN薄膜。傳統(tǒng)MOCVD工藝過程中，沉積溫度通常在1050℃以上，對于金屬襯底而言，這樣高的沉積溫度必將會引起嚴重的界面反應以及GaN薄膜與襯底之間巨大的熱應力，這將導致后續(xù)GaN基器件性能的嚴重衰退。我們的實驗結(jié)果表明采用ECR-PEMOCVD技術(shù)可成功在較低溫度下沉積出較高質(zhì)量的GaN薄膜，有效抑制了高溫沉積過程產(chǎn)生的不利反

5、應。
　　本文采用高能粒子反射(RHEED)、X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、光致發(fā)光譜（PL譜）以及電流—電壓測試（I-V測試）等多種表征方法分析了GaN薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、光學性能以及電學特性。重點研究了氮化時間、沉積溫度和TMGa流量對金屬Ni襯底上生長GaN薄膜的性能影響機制并給出最佳優(yōu)化參數(shù)。實驗結(jié)果表明:氮化時間對GaN薄膜有較大的影響。氮化時間為0min時，GaN薄膜具有較好的