N極性GaN基薄膜材料的外延生長及特性研究.pdf

1、由于具有突出的異質(zhì)結(jié)特性且易于實現(xiàn)歐姆接觸，N極性GaN基材料在高電子遷移率晶體管(HEMT)、發(fā)光二極管(LED)以及光電探測器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而由于c面藍寶石襯底與GaN基外延薄膜之間存在較大的晶格失配和熱失配，并且金屬原子在N極性GaN基外延薄膜表面的遷移能力較弱，使用金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)生長得到的N極性GaN基外延薄膜的晶體質(zhì)量和表面形貌距離制備器件的需求還有一定差距。本文使用低壓MOCVD系統(tǒng)在

2、藍寶石襯底上進行了N極性GaN基外延薄膜的生長，對各種生長參數(shù)進行了優(yōu)化，并對生長機理進行了系統(tǒng)研究，進而研發(fā)了用于N極性GaN外延薄膜生長的改進流量調(diào)制技術(shù)。
　　本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)通過實驗研究，充分優(yōu)化了影響N極性GaN外延薄膜生長的主要參數(shù)，如襯底取向、氮化溫度、成核層生長溫度及時間、生長Ⅴ/Ⅲ比和外延層厚度等。通過使用c面藍寶石和c面偏m面2°的藍寶石襯底生長N極性GaN外延薄膜的實驗研究，結(jié)

3、果表明使用具有斜切角的藍寶石襯底生長N極性GaN外延薄膜能夠有效消除N極性GaN外延薄膜表面的六方缺陷，又同時引入了具有臺階狀的表面形貌，有利于實現(xiàn)二維模式生長。通過實驗優(yōu)化了N極性GaN外延薄膜的各種生長參數(shù)，實驗結(jié)果表明:當?shù)瘻囟葹?50℃，GaN成核層在470℃以上的溫度生長，退火時間為10分鐘，生長Ⅴ/Ⅲ比為512時，生長得到的N極性GaN外延薄膜具有最好的晶體質(zhì)量。另外，通過對N極性GaN外延薄膜生長厚度的實驗研究發(fā)現(xiàn)，N極

4、性GaN外延薄膜表面的六方缺陷密度隨著外延薄膜生長厚度的增大而減小。最后，通過實驗驗證了堿溶液腐蝕方法對N極性GaN外延薄膜極性判斷的有效性。
　　(2)充分分析了現(xiàn)有流量調(diào)制技術(shù)的特點和優(yōu)勢。結(jié)合N極性GaN外延薄膜生長的特點，并通過N極性GaN外延薄膜的生長實驗，研發(fā)了一種改進的流量調(diào)制技術(shù)。改進的流量調(diào)制生長方法大幅度提高了N極性GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量，表現(xiàn)在將N極性GaN外延薄膜的X射線搖擺曲線(XRC)半高寬值降低至2

5、20 arcsec，因而大幅度降低了N極性GaN外延薄膜中的位錯密度。另外，對所有生長的N極性GaN外延薄膜樣品的光學和電學性能進行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明改進的流量調(diào)制生長方法能夠?qū)崿F(xiàn)對低溫GaN成核層表面形貌的有效控制，特別是在間隔通入Ga源的中斷時間為4s時，能夠顯著地降低N極性GaN外延薄膜的非故意摻雜濃度和穿透型位錯密度，進而降低了本征載流子濃度，提高了載流子的遷移率，增強了本征發(fā)光強度并且降低了缺陷引起的藍帶發(fā)光的強度。

6、>　　(3)全球首次使用MOCVD技術(shù)在c面藍寶石襯底上生長了Al組分約為10％的N極性AlGaN外延薄膜，并深入研究了氮化時間對N極性AlGaN外延薄膜的表面形貌、晶體質(zhì)量、電學性能及光學性能的影響，同時對其生長條件與生長機理進行了深入的分析。實驗發(fā)現(xiàn):當?shù)瘯r間為3.5 min時，生長所得的N極性AlGaN外延薄膜的表面六方缺陷尺寸最小，晶體質(zhì)量最高。另外，由于氧雜質(zhì)與碳雜質(zhì)的并入得到了有效抑制，因而獲得了具有較低的背景載流子濃度的