低位錯密度的GaN外延薄膜生長研究.pdf

1、隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，半導(dǎo)體材料在現(xiàn)代科技革命中扮演著極其重要的角色。作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，氮化鎵(GaN)和其它氮化物材料是近年來光電子材料領(lǐng)域和高溫大功率器件方面的研究熱點(diǎn)之一。GaN基半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、電子漂移速度快、導(dǎo)熱性好和耐高溫高壓等突出優(yōu)點(diǎn)，在制作大功率、高頻和高溫電子器件以及光電器件方面具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。目前，GaN材料主要是采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)在SiC、藍(lán)寶石、Si和GaA

2、s等襯底上異質(zhì)外延獲得。由于GaN材料與襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，所以異質(zhì)外延得到的GaN薄膜往往具有很高的位錯密度，這些位錯極大地限制了GaN基器件的性能和可靠性。因此，低位錯密度GaN材料外延生長研究一直是GaN研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵課題，也是目前GaN領(lǐng)域的主要研究方向之一。
　　 本文系統(tǒng)地研究了斜切藍(lán)寶石襯底上GaN外延薄膜的表面形貌、結(jié)晶質(zhì)量及應(yīng)變情況，通過采用不同斜切方向和斜切角度的襯底，有效地改善了GaN外延

3、薄膜的質(zhì)量，并對相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出了合理的解釋，對斜切襯底誘導(dǎo)GaN中位錯湮滅的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，為更好的把斜切襯底應(yīng)用于高質(zhì)量GaN外延生長中打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)；另外，我們采用多種生長技術(shù)包括：斜切襯底上HVPE外延、不同基片表面處理及TiN掩膜層等多種方法，有效地降低了GaN外延薄膜的位錯密度，提高其材料質(zhì)量，并對相關(guān)的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，為低位錯密度GaN外延生長提供了新的思路。本文的主要工作和研究成果如下：
　　 1、

4、對比研究了c偏m面和c偏a面斜切襯底上GaN外延薄膜結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和內(nèi)部應(yīng)力情況，并對相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出了合理的解釋。研究表明，斜切襯底可以有效地誘導(dǎo)GaN中位錯的湮滅；c偏m面斜切襯底更有利于GaN生長表面微臺階的合并及應(yīng)力的釋放，因此，c偏m面斜切襯底上GaN具備更高的結(jié)晶質(zhì)量。
　　 2、研究發(fā)現(xiàn)在小角度范圍內(nèi)，斜切角度的大小對GaN結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和應(yīng)力有很大的影響，隨著斜切角度的增大，GaN的結(jié)晶質(zhì)量逐漸提高，表面

5、微臺階寬度增大，內(nèi)部應(yīng)力減小。這說明了較大的斜切角度有利于臺階間的相互合并，促進(jìn)位錯的傾斜彎曲。另外，在斜切襯底上GaN的形貌研究中，發(fā)現(xiàn)了表面較大的臺階凸起，并且不同斜切方向襯底上GaN的臺階方向不一，我們分別對這些現(xiàn)象作了合理的解釋，并對相應(yīng)的機(jī)理作了深入研究。
　　 3、采用TEM深入地研究了斜切襯底誘導(dǎo)GaN中位錯湮滅的機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，斜切襯底上GaN中位錯扎堆出現(xiàn)，在局部區(qū)域位錯大量湮滅，并且在不同厚度處出現(xiàn)位錯集中湮

6、滅的區(qū)域，實(shí)驗(yàn)中觀察到兩個位錯集中湮滅的區(qū)域。
　　 4、在c偏m面的斜切襯底上利用HVPE方法外延生長厚膜GaN外延層，與常規(guī)襯底上HVPE外延GaN薄膜相比，斜切襯底上HVPE外延GaN中位錯密度降低得更加顯著，我們認(rèn)為這是因?yàn)椋阂环矫嫘鼻幸r底促使GaN表面臺階合并使位錯線發(fā)生彎曲，GaN基板中的位錯大部分被湮滅而不能延伸到頂層材料；另一方面GaN中出現(xiàn)了幾個位錯集中湮滅的區(qū)域。因此，斜切襯底上厚膜GaN外延層的質(zhì)量更高，可

7、見斜切襯底誘導(dǎo)GaN中位錯湮滅的優(yōu)勢在HVPE外延厚膜GaN時體現(xiàn)得更為充分。
　　 5、研究了GaN襯底基片的表面處理對二次生長GaN薄膜的特性影響。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過HF酸清洗過的GaN基片二次生長后具備更高的結(jié)晶質(zhì)量和發(fā)光特性。我們對相應(yīng)的物理機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。
　　 6、采用TiN作為掩膜層有效地降低了GaN中的位錯密度。研究認(rèn)為，淀積在襯底基片上的Ti金屬經(jīng)過氮化后裂開形成TiN，在GaN基片表面形成了天然的掩