GaN薄膜在金属衬底Ti、Mo上的低温ECR-PEMOCVD生长及其性能影响机制研究

发布时间：2017-07-02 09:20

  本文关键词：GaN薄膜在金属衬底Ti、Mo上的低温ECR-PEMOCVD生长及其性能影响机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,由于氮化镓(GaN)材料在光电子器件(半导体二极管LED、半导体激光器LD)和微电子器件(高温、大功率、高频晶体管)等方面有着广泛的应用而引起研究者的浓厚兴趣。众所周知,这是由于GaN具有直接宽带系(3.39eV)、高的电子漂移饱和速度及高的击穿电压等优良性能。基于含荧光层的InGaN/GaN多量子阱蓝光芯片和红绿蓝三色混合芯片的白色光源的获得,使GaN基器件有望在普通照明方面得到应用。但仍有一些问题有待进一步解决。合适的衬底材料便是其中一个问题,众所周知,衬底材料对GaN基器件的性能影响巨大。目前制备GaN薄膜的衬底材料多选用蓝宝石(α-Al2O3)、碳化硅(SiC)或硅(Si)。但它们都存在一定的不足,a-A1203的导电和导热性能较差,并且与GaN之间晶格失配较大；SiC虽然在导电和导热等方面优于蓝宝石,但却制造困难且价格昂贵；Si具有价格低廉、易于解理、导电导热性能好以及便于大面积生产等优点,但Si材料与GaN热失配较大,GaN薄膜的龟裂问题一度难以攻克。近年来,有研究者尝试在金属衬底上制备GaN薄膜。金属材料具有良好的导电性与导热性、价格低廉、便于大面积生产及兼有反光作用等优点,这些都有望在一定程度上改善器件的散热及发光效率。更重要的是,金属可以直接作为电极,以实现后续的GaN基器件中电流的垂直传输,在制造工艺上比激光剥离(Laser Lift-Off)和金属键合等技术要简单。因此,直接在金属上沉积GaN薄膜具有重大的研究意义。本文以金属钛(Ti)和钼(Mo)作为衬底材料,采用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)技术,分别以三甲基镓(TMGa)和高纯N2作为Ga源和N源,低温沉积出高度c轴择优的GaN薄膜。传统的MOCVD工艺通常采用1050℃左右的高温,这么高的温度必定会引起严重的界面反应以及GaN与衬底之间巨大的热应力,从而严重影响后续GaN基器件的性能。本文采用的ECR-PEMOCVD设备以ECR等离子体活化技术,在低气压下产生非平衡等离子体,提供高活化的N离子,大大降低了沉积温度。本文采用反射式高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、室温光致发光谱(PL谱)以及电流-电压测试(I-V测试)等多种表征手段,重点研究了沉积温度和TMGa流量对GaN薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性能以及电学特性的影响。实验结果表明：Ti衬底上GaN薄膜的最佳沉积温度为480℃,最佳TMGa流量为1.4sccm,最佳条件制备的GaN薄膜具有较好的晶体质量、均匀致密的薄膜表面,较弱的光致发光,GaN薄膜与Ti衬底之间显示肖特基接触特性。Mo衬底上GaN薄膜的最佳沉积温度为570℃,最佳TMGa流量为1.6sccm,在最佳条件下制备的GaN薄膜沿c轴择优生长,晶体质量较高,表面较为致密平整,具有较强的光致发光,GaN薄膜与Mo衬底之间显示肖特基接触特性。
【关键词】：氮化镓 ECR-PEMOCVD 金属衬底Ti、Mo
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 GaN的基本性质10-13
• 1.1.1 GaN的物理性质10-12
• 1.1.2 GaN的化学性质12
• 1.1.3 GaN的光学性质12-13
• 1.1.4 GaN的电学性质13
• 1.2 GaN薄膜衬底材料的选择13-16
• 1.2.1 蓝宝石(α-Al_2O_3)衬底13-15
• 1.2.2 碳化硅(SiC)衬底15
• 1.2.3 硅(Si)衬底15
• 1.2.4 金属衬底15-16
• 1.3 GaN的应用领域16-17
• 1.3.1 光电器件16-17
• 1.3.2 高频高功率电子器件17
• 1.4 本文研究的意义与研究内容17-19
• 2 GaN的生长与表征方法19-27
• 2.1 GaN薄膜制备技术19-22
• 2.1.1 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)19
• 2.1.2 分子束外延(MBE)19-21
• 2.1.3 脉冲激光沉积(PLD)21-22
• 2.1.4 氢化物气相外延(HVPE)22
• 2.2 实验设备22-24
• 2.3 表征手段24-27
• 2.3.1 薄膜的晶体结构分析24-25
• 2.3.2 薄膜的表面形貌分析25
• 2.3.3 薄膜的光学特性分析25-26
• 2.3.4 薄膜的电学特性分析26-27
• 3 沉积温度对GaN薄膜性能的影响27-40
• 3.1 沉积温度对GaN/Ti薄膜的性能影响研究27-34
• 3.1.1 实验过程及参数27-28
• 3.1.2 实验结果与分析28-32
• 3.1.3 小结32-34
• 3.2 沉积温度对GaN/Mo的性能影响研究34-40
• 3.2.1 实验过程及参数34-35
• 3.2.2 实验结果与分析35-39
• 3.2.3 小结39-40
• 4 TMGa流量对GaN薄膜性能的影响40-49
• 4.1 TMGa流量对GaN/Ti薄膜的性能影响研究40-43
• 4.1.1 实验过程及参数40
• 4.1.2 实验结果与分析40-43
• 4.2 TMGa流量对GaN/Mo薄膜的性能影响研究43-48
• 4.2.1 实验过程及参数43
• 4.2.2 实验结果与分析43-48
• 4.3 本章小结48-49
• 结论49-50
• 参考文献50-53
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况53-54
• 致谢54-55

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本文编号：509338