氧化物襯底上AlN薄膜的制備及對(duì)GaN薄膜的誘導(dǎo)生長(zhǎng)研究.pdf

1、第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料具有擊穿場(chǎng)強(qiáng)大、熱導(dǎo)率高、載流子遷移率高、抗輻射能力強(qiáng)等特性，在發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)等光電器件以及高溫、高頻和大功率電子器件都有廣泛的應(yīng)用前景。在異質(zhì)外延GaN薄膜時(shí)由于缺乏在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)上相匹配的襯底材料，難以制備高質(zhì)量的外延薄膜。因此人們開始研究與GaN具有相似結(jié)構(gòu)，且化學(xué)和熱穩(wěn)定性較好的緩沖層材料來誘導(dǎo)生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN薄膜。AlN和GaN同屬Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導(dǎo)體，具有相同的晶體結(jié)

2、構(gòu)和穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，是外延GaN薄膜的理想緩沖層之一。本論文采用激光分子束外延(L-MBE)法在Al2O3和SrTiO3襯底上分別研究了不同結(jié)構(gòu)的AlN緩沖層制備，并以其為緩沖層誘導(dǎo)生長(zhǎng)了GaN薄膜。
　　首先，在六方對(duì)稱的藍(lán)寶石Al2O3襯底上通過分析生長(zhǎng)溫度、脈沖激光能量和沉積頻率等對(duì)AlN薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響，得到了在Al2O3襯底上制備AlN薄膜的優(yōu)化條件：生長(zhǎng)溫度為650℃，激光能量為200mJ/pulse，激

3、光頻率2Hz。同時(shí)研究了AlN和Al2O3的匹配關(guān)系，發(fā)現(xiàn)AlN薄膜相對(duì)Al2O3襯底在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)了30°，從而減少它們之間的晶格失配度，降低了界面能。它們之間的外延關(guān)系為：AlN[1-210]//Al2O3[1-100]，AlN[1-100]//Al2O3[1-210]和AlN(0001)//Al2O3(0001)。
　　其次，在立方對(duì)稱的SrTiO3(100)單晶基片上優(yōu)化工藝條件，制備了(200)取向的立方AlN薄膜，實(shí)現(xiàn)了A

4、lN薄膜在STO襯底上cube-on-cube的外延生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度較低時(shí)，AlN為多晶薄膜；隨著溫度的升高，AlN薄膜以層狀模式外延生長(zhǎng)。隨著 N2壓強(qiáng)的增大，薄膜的結(jié)晶性能提高；當(dāng) N2壓強(qiáng)過高時(shí)，薄膜質(zhì)量又會(huì)降低。激光能量為150mJ/pulse時(shí)，得到的是非晶薄膜；增大脈沖激光能量，得到立方 AlN(200)取向的薄膜，結(jié)晶質(zhì)量隨著激光能量的增大而得到提高。XRD和RHEED進(jìn)一步分析表明立方AlN和STO的外延關(guān)系為：A

5、lN[010]//SrTiO3[010]和AlN(100)//SrTiO3(100)，它們之間的晶格失配度為3.5％。
　　最后，采用冷等靜壓的方法燒結(jié)了致密的GaN陶瓷靶，同時(shí)以不同結(jié)構(gòu)的AlN作為緩沖層，分別誘導(dǎo)生長(zhǎng)了外延的六方和立方GaN薄膜。XRD和RHEED分析表明：六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN外延關(guān)系為GaN(0001)//AlN(0001)//Al2O3(0001)，GaN[1-210]//AlN[1-210]//Al2O