MOCVD法生長(zhǎng)硅基六方相GaN薄膜及其性質(zhì)研究.pdf

1、寬禁帶半導(dǎo)體GaN及其合金材料在短波長(zhǎng)發(fā)光器件、短波長(zhǎng)激光器以及高溫、大功率、高頻電子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.由于GaN體單晶材料難以制備,因此獲得高質(zhì)量的單晶薄膜材料是研究開(kāi)發(fā)GaN基器件的基本前提條件.藍(lán)寶石是GaN異質(zhì)外延最常用的襯底,而GaN基器件也通常制作在藍(lán)寶石上.然而,藍(lán)寶石具有絕緣、導(dǎo)熱性差、缺陷多、硬度高以及價(jià)格貴等特點(diǎn),這不僅導(dǎo)致器件工藝復(fù)雜,而且限制了大功率器件的發(fā)展.而硅作為襯底則可以彌補(bǔ)這些不足.因此,開(kāi)

2、展Si基上的GaN薄膜材料的外延生長(zhǎng)具有極其重大的應(yīng)用意義. 本論文在系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外GaN基材料制備與器件工藝的研究歷史、現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上,利用自行設(shè)計(jì)并委托加工的MOCVD設(shè)備,對(duì)硅襯底上GaN的外延生長(zhǎng)和特性進(jìn)行了研究,通過(guò)多種測(cè)試手段和理論分析,取得了一些階段性成果: 1.對(duì)GaN與Si(111)的外延關(guān)系和硅基GaN生長(zhǎng)模型進(jìn)行了研究.理論和實(shí)驗(yàn)證明在Si(111)襯底上可以生長(zhǎng)出C軸取向的GaN單晶薄膜;硅基

3、異質(zhì)外延GaN的生長(zhǎng)模型可分為兩種方式:無(wú)緩沖層時(shí),GaN呈三維核生長(zhǎng)模式,薄膜為多晶取向;有緩沖層時(shí),GaN由初期的三維生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S層狀生長(zhǎng),薄膜為C軸取向. 2.采用高溫AlN(HT-AlN)緩沖層技術(shù),成功在Si(111)襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN薄膜,其(0002)峰的X射線回?cái)[曲線半高寬為560arcsec.研究了AlN緩沖層對(duì)GaN晶體質(zhì)量的影響,認(rèn)為延長(zhǎng)AlN的生長(zhǎng)時(shí)間,AIN生長(zhǎng)模式的改變會(huì)導(dǎo)致AlN上表面出現(xiàn)

4、鋸齒狀島,這降低了后續(xù)外延的GaN晶體質(zhì)量,但這種形貌卻有利于緩解GaN層中產(chǎn)生的張應(yīng)力,對(duì)生長(zhǎng)無(wú)裂紋的GaN薄膜有好處. 3.優(yōu)化高質(zhì)量GaN外延層的生長(zhǎng)工藝,研究了頂氣流中的載氣和鎵源流速對(duì)GaN生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)載氣中 N<,2>與H<,2>流速比為1:1、載氣總流速適當(dāng)、鎵源采用小流速,所生長(zhǎng)的CaN晶體質(zhì)量最好. 4.采用HRXRD和SEM對(duì)GaN外延層中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行分析.所生長(zhǎng)的GaN外延層線位錯(cuò)密度為10<

5、'9>cm<'-2>,為不采用ELOG技術(shù),硅基GaN線位錯(cuò)密度較低的結(jié)果之一.研究了GaN薄膜表面出現(xiàn)的六角狀腐蝕坑,認(rèn)為腐蝕坑起源有二:GaN島間合并不完全以及GaN表面的納米微管. 5.采用PL、Raman和Hall對(duì)GaN薄膜的光學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和電學(xué)特性作了研究. 分析測(cè)試結(jié)果表明:在高溫下的Si擴(kuò)散可能是引起GaN PL譜出現(xiàn)黃光峰的原因;根據(jù)拉曼位移計(jì)算了GaN薄膜中的張應(yīng)力,這是GaN薄膜個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)裂紋