多孔襯底上HVPE生長GaN單晶的研究.pdf

1、以GaN為代表的Ⅲ/Ⅴ族化合物半導(dǎo)體由于其出色的性能，在微電子器件和光電器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)階段GaN基器件大多是異質(zhì)外延制備的，晶格失配和熱失配限制了GaN基器件的性能提高。同質(zhì)外延已經(jīng)被公認(rèn)為從根本上解決GaN基器件瓶頸的方法，HVPE(Hydride Vapor Phase Epitax，氫化物氣相外延)技術(shù)制備自支撐GaN單晶成為研究的熱點(diǎn)。而GaN晶體和襯底的自剝離是獲得自支撐GaN單晶的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文利用不同方法

2、制備多孔襯底，并開展了在多孔襯底上利用HVPE方法生長自剝離GaN單晶的研究，具體研究內(nèi)容如下:
　　1.系統(tǒng)研究了GaN外延生長過程中原子的擴(kuò)散輸運(yùn)對(duì)外延層的生長模式、表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響。探討了Ⅴ/Ⅲ比、微觀原子擴(kuò)散與宏觀應(yīng)力之間的關(guān)系，利用微觀原子擴(kuò)散理論將宏觀應(yīng)力性質(zhì)和生長動(dòng)力學(xué)聯(lián)系起來，為在不同應(yīng)力狀態(tài)下的襯底上生長高質(zhì)量GaN單晶提供依據(jù)。為了研究襯底的不同應(yīng)力對(duì)晶體生長的影響，我們分別在兩種不同應(yīng)力狀態(tài)的MGA(

3、MOCVD-GaN onAl2O3)和MGS(MOCVD-GaN on SiC)襯底上，通過調(diào)節(jié)Ⅴ/Ⅲ比獲得了高質(zhì)量GaN單晶。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高Ⅴ/Ⅲ可以獲得高的原子遷移能力，不同應(yīng)力通過影響表面擴(kuò)散勢(shì)壘影響原子的遷移，在此基礎(chǔ)上討論了通過Ⅴ/Ⅲ調(diào)節(jié)來克服襯底應(yīng)力對(duì)晶體生長影響的機(jī)理，證明應(yīng)力及表面生長動(dòng)力學(xué)模型拓展了GaN單晶的生長機(jī)理研究，為在各種新型襯底上制備GaN單晶打下了基礎(chǔ)。
　　2.使用高溫退火工藝制備了具有多

4、孔結(jié)構(gòu)的HTAP（high temperatureannealing porous，高溫退火多孔）襯底，并用作HVPE生長籽晶制備了高質(zhì)量自剝離GaN單晶。利用在一定溫度和氣氛下GaN晶體的選擇性分解，研究了退火溫度、退火時(shí)間、退火氣氛及襯底的摻雜、位錯(cuò)等因素對(duì)高溫退火后結(jié)構(gòu)的影響，使用HVPE方法，在HTAP襯底上制備得到的自支撐GaN晶體，利用HRXRD測(cè)試其半峰寬，發(fā)現(xiàn)(002)和(102)衍射峰半峰寬和普通襯底上制備的GaN晶體

5、相比更小;PL測(cè)試的結(jié)果表明，HTAP襯底制備的GaN位錯(cuò)密度更低，光學(xué)質(zhì)量更好;而Raman光譜結(jié)果表明HTAP襯底制備的GaN殘余應(yīng)力大大減小。
　　3.利用SiO2圖形掩膜的輔助作用，通過高溫退火形成具有層狀倒金字塔結(jié)構(gòu)的圖形化多孔襯底，并用作HVPE生長籽晶制備了高質(zhì)量GaN單晶。由于GaN單晶位錯(cuò)位置處的活化能較低，在一定溫度下，GaN單晶易于在位錯(cuò)處發(fā)生分解，從而形成倒金字塔形狀的多孔結(jié)構(gòu)。高溫退火后得到的多孔結(jié)構(gòu)密度

6、和位錯(cuò)密度相關(guān)，退火時(shí)形成的倒金字塔結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)固定的分解停止晶面;而SiO2圖形掩膜可以調(diào)節(jié)橫向分解速度和縱向分解速度，使得多孔結(jié)構(gòu)更加均勻;由于多孔結(jié)構(gòu)的存在，在襯底和GaN單晶之間形成了空隙結(jié)構(gòu)，減少了襯底的機(jī)械強(qiáng)度，具有柔性緩沖層的作用，這有助于提高GaN單晶質(zhì)量，減少其內(nèi)部應(yīng)力，促進(jìn)晶體的自剝離。
　　4.使用兩步腐蝕方法腐蝕MOCVD-GaN外延片，形成均勻的倒三角多孔結(jié)構(gòu)襯底，利用該襯底制備得到GaN單晶。首先利用電化