硅襯底氮化鎵生長(zhǎng)的研究.pdf

1、自20世紀(jì)90年代初GaN基LED研制成功以來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，氮化鎵基LED的性能取得了很多突破性進(jìn)展，日亞公司于1995年宣布藍(lán)光GaN基LED實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并奠定了全球領(lǐng)先地位，使新一代的固體照明取代傳統(tǒng)的照明也成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。目前，市場(chǎng)上的GaN基LED所用的襯底主要有藍(lán)寶石、碳化硅以及硅襯底。由于藍(lán)寶石襯底在技術(shù)上的成熟，廣泛應(yīng)用于生長(zhǎng)GaN材料。硅材料由于其成本低廉，大尺寸等性質(zhì)，已經(jīng)越來(lái)越受到業(yè)界的重視。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多

2、次報(bào)道了在硅襯底上成功生長(zhǎng)出GaN材料與器件的成果。要在Si襯底上研制出高性能的GaN器件，首先要在Si襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN材料。但是，由于硅襯底的晶格參數(shù)和熱膨脹系數(shù)與GaN材料有很大的差別，所以硅襯底上生長(zhǎng)的氮化鎵往往都會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)密度高、發(fā)生龜裂等情況。近年來(lái)，眾多研究者對(duì)Si襯底上生長(zhǎng)GaN進(jìn)行了研究，取得了一些進(jìn)展。但如何在Si襯底上實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量、無(wú)裂紋的GaN生長(zhǎng)仍然是研究的難點(diǎn)，還有大量問題需要解決，特別是Si襯底上G

3、aN的生長(zhǎng)機(jī)制以及如何降低晶格失配和應(yīng)力的影響。
　　 本文采用Thomas Swan MOCVD對(duì)Si襯底生長(zhǎng)氮化鎵材料進(jìn)行了研究。采用光致發(fā)光光譜儀、X射線衍射儀、原子力顯微鏡、霍爾測(cè)量?jī)x、光學(xué)顯微鏡等測(cè)試儀器對(duì)Si襯底生長(zhǎng)的GaN光學(xué)性能、結(jié)晶性能、表面形貌等性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過(guò)優(yōu)化Al的預(yù)沉積、Si襯底表面圖形的設(shè)計(jì)等生長(zhǎng)出了2.0微米厚的較高質(zhì)量、無(wú)裂紋的GaN薄膜。此外，對(duì)藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)的GaN表面粗糙度對(duì)LED

4、性能的影響進(jìn)行了研究。獲得了如下有創(chuàng)新和有意義的研究結(jié)果：
　　 1、系統(tǒng)研究了Al的預(yù)沉積對(duì)AlN緩沖層及GaN外延層生長(zhǎng)的影響，研究表明，與沒有經(jīng)過(guò)鋁預(yù)處理的樣品相比，36秒鋁預(yù)處理的樣品能夠改善AlN緩沖層的晶體質(zhì)量以及表面粗糙度，然而，當(dāng)鋁預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)到56秒時(shí)AlN緩沖層的晶體質(zhì)量出現(xiàn)下降，同時(shí)邊緣表面也出現(xiàn)了金屬花紋。另外，沒有經(jīng)過(guò)鋁預(yù)處理的GaN樣品，其表面布滿裂紋，出現(xiàn)金屬回熔點(diǎn)。經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)匿X預(yù)處理以后，GaN

5、的表面已經(jīng)觀察不到明顯的裂縫了，而且金屬回熔點(diǎn)也沒有了，不過(guò)，過(guò)量的鋁預(yù)處理時(shí)間會(huì)直接影響緩沖層的生長(zhǎng)，在緩沖層能觀察到由鋁形成的金屬花紋，GaN外延層布滿了裂縫，而且也出現(xiàn)金屬回熔花紋，嚴(yán)重降低GaN的晶體質(zhì)量。
　　 2、研究了Si表面圖形對(duì)GaN生長(zhǎng)的影響，我們發(fā)現(xiàn)，沒有經(jīng)過(guò)腐蝕，表面只有二氧化硅掩模的樣品，其（002）面X射線衍射峰值半高寬比較大，裂紋在合并的地方出現(xiàn)了中斷，當(dāng)刻蝕的槽深為0.1微米時(shí)，由于刻蝕深度不夠，

6、GaN很容易會(huì)生長(zhǎng)在槽里邊，造成了裂紋的產(chǎn)生與光學(xué)性能的下降，其光致發(fā)光光譜中的黃帶峰比較高，表明有一定的深能級(jí)物質(zhì)滲透到GaN外延層，我們認(rèn)為是硅在高溫下的蒸發(fā)。不過(guò)當(dāng)槽深達(dá)到0.3微米時(shí)，光學(xué)性能得到了改善。另外，該樣品的晶體質(zhì)量也比較好。當(dāng)槽深達(dá)到0.5微米時(shí)，雖然表面的裂紋得以減少了，但是（102）面X射線的峰值半高寬明顯增大，表明該樣品的位錯(cuò)密度急劇上升，這種論斷在原子力掃描圖像中得到了進(jìn)一步證實(shí)。
　　 3、研究了非