N面GaN材料的生長(zhǎng)特性研究及優(yōu)化.pdf

1、近年來(lái)，N面GaN材料由于在高頻和光電器件、氫氣探測(cè)器、以及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有特殊優(yōu)勢(shì)而受到關(guān)注，但是高質(zhì)量 N面GaN外延薄膜制備的困難限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。為了改善N面材料的特性，本文對(duì)其進(jìn)行了研究，并使用了變Ⅴ-Ⅲ比的兩步成核生長(zhǎng)法和兩種不同的插入層來(lái)優(yōu)化GaN材料的表面特性和結(jié)晶特性。本文的主要成果如下：
　　首先，對(duì)N面GaN異質(zhì)外延的AlN成核層進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)比Ga面和N面GaN的成核層發(fā)現(xiàn)，N面的成核層使用的Ⅴ

2、-Ⅲ比過(guò)高而使最終形成的表面不利于尺寸適中、密度適中、取向均勻的GaN成核島的形成，導(dǎo)致N面GaN外延薄膜的質(zhì)量比Ga面差。
　　進(jìn)而本文提出了先高Ⅴ-Ⅲ比，后低Ⅴ-Ⅲ比的兩步成核生長(zhǎng)方法，先使用高Ⅴ-Ⅲ比以保證AlN成核層的N極性，再使用低Ⅴ-Ⅲ比來(lái)改善成核層最終形成的表面形貌，使之有利于之后GaN的生長(zhǎng)。我們對(duì)低Ⅴ-Ⅲ比AlN層的厚度進(jìn)行了優(yōu)化和分析，當(dāng)?shù)廷?Ⅲ比層厚度在45nm左右時(shí)，GaN外延層的表面特性特性達(dá)到最優(yōu)，表面

3、粗糙度有效降低，起伏下降到優(yōu)化前的一半，說(shuō)明此時(shí)AlN提供的成核表面最有利于GaN的均勻成核。同時(shí)，由于成核層生長(zhǎng)中Ⅴ-Ⅲ比的降低，N空位增多，增強(qiáng)了成核層對(duì)從襯底向上擴(kuò)散的O的吸收作用，使進(jìn)入GaN外延層的O雜質(zhì)濃度降低，背景載流子濃度降低至原來(lái)的一半。
　　隨后，本文對(duì)N面GaN外延層生長(zhǎng)過(guò)程中各種特性的變化進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)中隨著外延層厚度的增加，位錯(cuò)不斷發(fā)生湮滅，由熱失配和晶格失配造成的壓應(yīng)力逐漸降低。同時(shí)外延層的

4、C含量也隨著厚度的增長(zhǎng)發(fā)生了變化，文中也進(jìn)行了分析。
　　利用插入層來(lái)優(yōu)化材料特性的方式簡(jiǎn)單有效、成本較低，本文進(jìn)行了重點(diǎn)研究。本文中提出了超低溫GaN插入層的優(yōu)化方法，它通過(guò)加入 N面所缺失的三維島狀生長(zhǎng)模式來(lái)改善材料特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超低溫插入層位于成核層與外延層之間時(shí)，對(duì)GaN外延層表面形貌和結(jié)晶質(zhì)量的優(yōu)化最為有效。該插入層不僅可以通過(guò)增加三維島狀生長(zhǎng)而使位錯(cuò)湮滅，還在后續(xù)的GaN外延中引入了層錯(cuò)，進(jìn)一步阻攔位錯(cuò)的延伸。同時(shí)