AlInN-GaN異質(zhì)結(jié)的制備及其性質(zhì)研究.pdf

1、近年來,GaN基器件的研究受到了越來越廣泛的關(guān)注,AlGaN/GaNHEMT的研究也有了突飛猛進的進展,但是由應(yīng)力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)問題一直限制著AlGaN/GaNHEMT材料和器件的發(fā)展。
　　 相對于AlGaN的受限,Al1-xInxN在x取0.17時,可以與GaN的晶格實現(xiàn)完美匹配,從而在理論上減少界面缺陷,消除應(yīng)力效應(yīng),避免壓電極化,具有更高的載流子濃度,以及更高的可靠性。此外,AlN材料具有極高的居里溫度(＞1000℃),

2、也預(yù)示著AlInN/GaN異質(zhì)結(jié)比AlGaN/GaN具有更高的化學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性,從而改善表面不穩(wěn)定控制,減少極化偶極子誘導(dǎo)溝道。
　　 雖然相較于研究較為成熟的AlGaN材料,AlInN材料具有更優(yōu)良的性能,但是由于高質(zhì)量的AlInN薄膜難以生長,因此關(guān)于AlInN材料和器件的相對研究較少。就目前研究而言,如何制備高質(zhì)量的AlInN薄膜是研究難點。本文使用MOCVD方法,制備了Al1-xInxN/GaN異質(zhì)結(jié),并研究了不同生長條

3、件下薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌和成分組成等性質(zhì)。
　　 本論文的研究工作和研究成果如下:
　　 1、采用MOCVD方式,以純度為99.9999％的三甲基鎵TMGa[Ga(CH3)3]作為Ga源,采用純度為99.9999％的高純NH3作為N的提供者,純度為99.9999％高純N2作為源載氣,改變緩沖層生長時間(1min,3min,5min)、反應(yīng)溫度(900℃,950℃,1000℃,1050℃)和Ⅴ-Ⅲ族比例(1000、1300

4、、1800)等生長條件,在α-Al2O3(0001)襯底上生長GaN薄膜。通過X射線衍射表征的薄膜結(jié)構(gòu)性質(zhì),我們得出,緩沖層生長時間為5min,薄膜生長溫度為1050℃,Ⅴ-Ⅲ族比為1800時,得到的GaN薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好。較厚的緩沖層提供了與襯底取向相同的成核中心,釋放了GaN和襯底之間的晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力以及熱膨脹系數(shù)失配所產(chǎn)生的熱應(yīng)力,更有利于薄膜的生長。同時,Ⅴ-Ⅲ族比例越大,薄膜的橫/縱向生長速率比越大,能夠更好的橫向生長出高

5、質(zhì)量的GaN薄膜。
　　 2、采用MOCVD方式,以純度為99.9999％的三甲基鋁TMA[Al(CH3)3]做鋁源,純度為99.9999％的三甲基銦TMIn[In(CH3)3]做銦源,高純NH3做氮化劑,純度為99.9999％的氮氣做載氣,在藍寶石(0001)面襯底上生長不同Ⅲ族有機源流量比(TMIn/(TMIn+TMA)=0.8,0.7,0.6,0.5)和反應(yīng)溫度(500℃、600℃、700℃)等一系列的高In組分Al1-x

6、InxN薄膜。XRD測量結(jié)果表明,生長溫度越高,薄膜晶格常數(shù)增大,薄膜的結(jié)晶質(zhì)量越好,且薄膜生長的取向性與溫度有關(guān)。XPS測量表明,隨著溫度的升高,In含量減少。結(jié)合XPS、XRD和SEM結(jié)果,In含量減少,薄膜結(jié)晶質(zhì)量變好,結(jié)晶晶粒變小。可能是In能夠促進薄膜的生長,所以In含量變少,結(jié)晶晶粒變小;而InN與藍寶石襯底失配度較大,所以結(jié)晶質(zhì)量變差。
　　 3、利用MOCVD方式,采用純度為99.9999％的三甲基鋁TMA[Al

7、(CH3)3]作為鋁源,純度為99.9999％的三甲基銦TMIn[In(CH3)3]作為銦源,氮化劑是高純NH3,載氣是純度為99.9999％的氮氣,在GaN(0002)面生長Al1-xInxN/GaN異質(zhì)結(jié)。通過改變氮化條件(有、無氮化層)、生長溫度(500℃、600℃、700℃)、Ⅴ-Ⅲ族比例(1000、1500、2000)、Ⅲ族有機源比例(TMA/(TMIn+TMA)=0.6、0.7、0.8)等生長條件,生長了一系列異質(zhì)結(jié)。結(jié)合X