硅襯底上GaN外延層和AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)的MOCVD生長研究.pdf

1、隨著商業(yè)化氮化鎵（GaN）基發(fā)光二極管（LED）、激光器（LD）和高電子遷移率晶體管（HEMT）的相繼推出，性能卓越的GaN基器件引起了廣泛的關(guān)注。然而，過高的成本和大功率器件的技術(shù)瓶頸阻礙了GaN基光電子器件的產(chǎn)業(yè)化進程。
　　 由于GaN 體材料的缺失，GaN基光電子器件只能在異質(zhì)襯底上生長。考慮到Si襯底的眾多優(yōu)點，采用Si 作為襯底是降低GaN基光電子器件成本和開發(fā)新型大功率器件的有效途徑。然而，與藍(lán)寶石襯底和碳化硅襯底

2、相比，在Si 襯底上生長高質(zhì)量的GaN基材料較為困難：首先，GaN在高溫下易同Si 發(fā)生劇烈的合金反應(yīng)從而腐蝕襯底和外延層；其次，由于GaN與Si 襯底大的晶格失配和熱失配，GaN 外延材料存在缺陷密度高、易龜裂等問題。針對上述問題，本文系統(tǒng)地探討和研究了Si 襯底上GaN 外延層的MOCVD 生長工藝，主要研究內(nèi)容如下：
　　 首先，研究了Si 襯底的前期處理工藝對GaN 外延層后續(xù)生長的影響，特別是對高溫預(yù)鋪鋁工藝和氮化鋁（

3、AlN）緩沖層的生長工藝進行了優(yōu)化研究。結(jié)果表明：Si襯底的清洗和高溫烘焙工藝對襯底的表面形貌有顯著的影響，并影響到隨后AlN 緩沖層的生長；高溫預(yù)鋪鋁的時間不僅會影響襯底表面氮化的抑制效果，而且影響后續(xù)AlN 緩沖層生長的均勻性；AlN 緩沖層生長參數(shù)的變化則直接影響到Si和Ga的隔離效果和GaN 外延層的生長質(zhì)量，因而其優(yōu)化的意義重大。
　　 其次，研究了三類應(yīng)變緩沖層的設(shè)計與優(yōu)化，探討了它們對GaN 外延層張應(yīng)力和穿透位錯

4、消除作用的影響。為了有效地消除GaN 外延層中的張應(yīng)力，采用低溫氮化鋁（LT-AlN）成核層和若干LT-AlN 插入層的應(yīng)變緩沖層設(shè)計技術(shù)，通過對插入層的層數(shù)、厚度和生長溫度的優(yōu)化，實現(xiàn)了厚度超過1.5μm 無裂紋的外延層生長，但外延層晶體質(zhì)量還有待提高；采用較厚的高溫（HT）AlN 緩沖層結(jié)合組分連續(xù)漸變的AlxGa1-xN 插入層的設(shè)計，通過對HT-AlN/Si(111)模板的優(yōu)化（例如AlN 厚度和生長V/III 比），及對Alx

5、Ga1-xN 插入層的組分漸變方式（線性和非線性）、漸變速率（生長速率）和厚度的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)生長較薄的、非線性的AlxGa1-xN組分連續(xù)漸變層就可以有效地消除張應(yīng)力和位錯密度，生長出超過1.5μm 無裂紋、高質(zhì)量的GaN 外延層；
　　 嘗試了幾種含超晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變緩沖層設(shè)計，方案新穎獨特，但是在實驗中，因無法保證超晶格的界面陡峭性，未顯示出它在消除應(yīng)力和位錯上的作用。
　　 最后，在獲得高質(zhì)量GaN 外延層的基礎(chǔ)上，生