氧化物襯底上AlN薄膜的制備及對GaN薄膜的誘導生長研究.pdf

1、第三代寬禁帶半導體材料具有擊穿場強大、熱導率高、載流子遷移率高、抗輻射能力強等特性，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用前景。在異質外延GaN薄膜時由于缺乏在晶格常數和熱膨脹系數上相匹配的襯底材料，難以制備高質量的外延薄膜。因此人們開始研究與GaN具有相似結構，且化學和熱穩(wěn)定性較好的緩沖層材料來誘導生長高質量的GaN薄膜。AlN和GaN同屬Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體，具有相同的晶體結

2、構和穩(wěn)定的物理化學性能，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構的AlN緩沖層制備，并以其為緩沖層誘導生長了GaN薄膜。
　　首先，在六方對稱的藍寶石Al2O3襯底上通過分析生長溫度、脈沖激光能量和沉積頻率等對AlN薄膜的結構和光學性能的影響，得到了在Al2O3襯底上制備AlN薄膜的優(yōu)化條件：生長溫度為650℃，激光能量為200mJ/pulse，激

3、光頻率2Hz。同時研究了AlN和Al2O3的匹配關系，發(fā)現(xiàn)AlN薄膜相對Al2O3襯底在面內旋轉了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，實現(xiàn)了A

4、lN薄膜在STO襯底上cube-on-cube的外延生長。研究發(fā)現(xiàn)：當溫度較低時，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。隨著 N2壓強的增大，薄膜的結晶性能提高；當 N2壓強過高時，薄膜質量又會降低。激光能量為150mJ/pulse時，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，結晶質量隨著激光能量的增大而得到提高。XRD和RHEED進一步分析表明立方AlN和STO的外延關系為：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了致密的GaN陶瓷靶，同時以不同結構的AlN作為緩沖層，分別誘導生長了外延的六方和立方GaN薄膜。XRD和RHEED分析表明：六方纖鋅礦結構的GaN外延關系為GaN(0001)//AlN(0001)//Al2O3(0001)，GaN[1-210]//AlN[1-210]//Al2O