MOCVD法生長硅基六方相GaN薄膜及其性質(zhì)研究.pdf

1、寬禁帶半導(dǎo)體GaN及其合金材料在短波長發(fā)光器件、短波長激光器以及高溫、大功率、高頻電子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.由于GaN體單晶材料難以制備,因此獲得高質(zhì)量的單晶薄膜材料是研究開發(fā)GaN基器件的基本前提條件.藍寶石是GaN異質(zhì)外延最常用的襯底,而GaN基器件也通常制作在藍寶石上.然而,藍寶石具有絕緣、導(dǎo)熱性差、缺陷多、硬度高以及價格貴等特點,這不僅導(dǎo)致器件工藝復(fù)雜,而且限制了大功率器件的發(fā)展.而硅作為襯底則可以彌補這些不足.因此,開

2、展Si基上的GaN薄膜材料的外延生長具有極其重大的應(yīng)用意義. 本論文在系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外GaN基材料制備與器件工藝的研究歷史、現(xiàn)狀以及存在問題的基礎(chǔ)上,利用自行設(shè)計并委托加工的MOCVD設(shè)備,對硅襯底上GaN的外延生長和特性進行了研究,通過多種測試手段和理論分析,取得了一些階段性成果: 1.對GaN與Si(111)的外延關(guān)系和硅基GaN生長模型進行了研究.理論和實驗證明在Si(111)襯底上可以生長出C軸取向的GaN單晶薄膜;硅基

3、異質(zhì)外延GaN的生長模型可分為兩種方式:無緩沖層時,GaN呈三維核生長模式,薄膜為多晶取向;有緩沖層時,GaN由初期的三維生長轉(zhuǎn)變?yōu)槎S層狀生長,薄膜為C軸取向. 2.采用高溫AlN(HT-AlN)緩沖層技術(shù),成功在Si(111)襯底上生長出高質(zhì)量的GaN薄膜,其(0002)峰的X射線回擺曲線半高寬為560arcsec.研究了AlN緩沖層對GaN晶體質(zhì)量的影響,認(rèn)為延長AlN的生長時間,AIN生長模式的改變會導(dǎo)致AlN上表面出現(xiàn)

4、鋸齒狀島,這降低了后續(xù)外延的GaN晶體質(zhì)量,但這種形貌卻有利于緩解GaN層中產(chǎn)生的張應(yīng)力,對生長無裂紋的GaN薄膜有好處. 3.優(yōu)化高質(zhì)量GaN外延層的生長工藝,研究了頂氣流中的載氣和鎵源流速對GaN生長的影響,發(fā)現(xiàn)載氣中 N<,2>與H<,2>流速比為1:1、載氣總流速適當(dāng)、鎵源采用小流速,所生長的CaN晶體質(zhì)量最好. 4.采用HRXRD和SEM對GaN外延層中產(chǎn)生的缺陷進行分析.所生長的GaN外延層線位錯密度為10<

5、'9>cm<'-2>,為不采用ELOG技術(shù),硅基GaN線位錯密度較低的結(jié)果之一.研究了GaN薄膜表面出現(xiàn)的六角狀腐蝕坑,認(rèn)為腐蝕坑起源有二:GaN島間合并不完全以及GaN表面的納米微管. 5.采用PL、Raman和Hall對GaN薄膜的光學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和電學(xué)特性作了研究. 分析測試結(jié)果表明:在高溫下的Si擴散可能是引起GaN PL譜出現(xiàn)黃光峰的原因;根據(jù)拉曼位移計算了GaN薄膜中的張應(yīng)力,這是GaN薄膜個別區(qū)域出現(xiàn)裂紋