形核层生长条件对MOCVD生长GaN基外延薄膜的影响

发布时间：2020-02-09 03:40

【摘要】：GaN基半导体材料是宽禁带直接带隙材料，具有饱和电子漂移速率高、介电常数小、导热性能良好以及耐高温、抗高电压、抗酸碱腐蚀等特点，并在高亮度LEDs，短波长激光、紫外线探测器以及高温、高功率电子器件等领域占有独特优势。本文利用金属有机化学气相沉积技术（MOCVD）在蓝宝石衬底上生长GaN基薄膜材料，1）通过对两步生长过程中各阶段GaN晶体的性能进行表征，分析了界面形核时间对GaN外延片质量的影响，并对其内在物理机理进行探讨；2）研究了形核层退火过程中不同的氨气流量对GaN外延薄膜晶体质量和光学性质的影响。具体研究结果如下： 1）利用MOCVD系统研究了界面形核时间对c面蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜晶体质量的影响机理。利用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨X射线衍射仪（HRXRD）以及光致发光光谱仪（PL）表征材料的晶体质量以及光学性质。随着形核时间的延长，退火后形成的形核岛密度减小、尺寸增大、均匀性变差，使得形核岛合并过程中产生的界面数量先减小后增大，导致GaN外延层的螺位错和刃位错密度先减小后增大，这与室温光致发光光谱中得到的带边发光峰与黄带发光峰的比值先增大后降低一致。研究结果表明：外延生长过程中，界面形核时间会对GaN薄膜中的位错演变施加巨大影响，从而导致GaN外延层的晶体质量以及光学性质的差异。 2）利用MOCVD系统研究了形核层退火时的氨气流量对c面蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜晶体质量的影响。随着形核层退火过程中氨气流量的增加，NLs的分解速率减小，退火后形成的形核岛尺寸变小，使得形核岛合并过程中产生的界面数量先减小后增大，导致GaN外延层的螺位错和刃位错密度先减小后增大。这与PL谱中黄带发光峰与带边发光峰的比值以及载流子浓度先减小后增大一致。研究结果表明：形核层退火时氨气流量会对NLs分解速率产生巨大影响，从而导致GaN外延层的晶体质量以及光电性质的差异。
【图文】：

纤锌矿结构,极性,铟镓氮

图 1.2 纤锌矿结构 GaN 晶体的极性[8,9]Fig.1.2 The polar of wurtzite GaN[8,9]材料包括 GaN（氮化镓）、InN（铟镓氮）、Al合金（InGaN、AlGaN、AlGaInN）。通常条件，如图 1.1（1）所示。在高压下，它们发生相少见，如图 1.1（2）所示。在衬底上异质外延ZB）结构呈现[6]，如图 1.1（3）。其中纤锌矿结单位构成，两种结构的的差别在于原子层的对称性，而后者具有立方对称性[6]。正是由于晶质存在显著差异。以 GaN 为例说明原子堆积方子堆积方式为 GaANAGaBNBGaCNCGaANAGaBNB子堆积方式为 GaANAGaBNBGaANAGaBNBGaANA 的原子呈双层排列，双原子层一般沿（0001）

异质结,氮化物,禁带宽度

图 1.3：AlGaN/GaN/AlGaN (x=0.15),GaN/InGaN/GaN(x=0.06)异质结的能带Fig 1.3: The heterojunction band ofAlGaN/GaN/AlGaN (x=0.15),GaN/InGaN/GaN(x=0.06)[25]氮化物的电学性能宽度而言，SiC 和 III 族氮化物的禁带宽度大于 Si 和 GaAs 的禁），因此 SiC 和 III 族氮化物电子器件更适宜在高温度和大功率的方面，虽然 SiC 的能带宽度接近 GaN，，但 III 族氮化物与 SiC 器势：第一，氮化物材料具有直接禁带宽度，可用于制作激光和高；第二，对于 GaN、AlN、InN 以及它们的合金三元（AlGaN，IAlInGaN），改变组分即可改变禁带宽度，且禁带宽度范围（1.9-大；第三，三元和四元氮化合物可用于异质结（HFET，HBT
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O614.371;TB383.2

【参考文献】