基于原位沉积SiN_x层调控GaN薄膜微观结构的研究

发布时间：2020-06-08 13:05

【摘要】：氮化镓(GaN)因具有禁带宽度大(3.4 eV)、电子迁移率高、导热性好、耐高温高压等优异的性能,已被广泛用于发光二极管、大功率半导体激光器、微波功率器件等领域。由于GaN与异质衬底之间存在较大的晶格失配和热失配,导致GaN外延薄膜中存在较大的位错密度,大大降低了半导体器件的电学和光学性能。因此开展GaN薄膜晶体质量调控的研究具有重要意义。本论文旨在探究原位沉积氮化硅(SiN_x)插入层对GaN薄膜微观结构的调控,采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长SiN_x插入层的方法,制备了GaN外延薄膜,研究了不同沉积时间和不同沉积位置的SiN_x插入层对GaN外延薄膜晶体质量的影响,并提出了一种调控机制模型;同时利用SiN_x掩膜层稳定性极强的性质,对原位沉积SiN_x掩膜层调控GaN纳米多孔结构进行研究,通过腐蚀具有Si N_x掩膜层的GaN外延薄膜制备了纳米多孔GaN结构,研究了腐蚀时间和腐蚀温度对纳米孔形貌的影响,并讨论了SiN_x掩膜层在化学腐蚀GaN薄膜过程中的作用。具体的研究结果如下:原位沉积SiN_x插入层可以有效降低GaN薄膜的位错密度;当SiN_x沉积120 s时,GaN薄膜的位错密度低于SiN_x沉积60 s及180 s的GaN薄膜。这是因为SiN_x会在GaN表面的非位错处成核;在后续的GaN形核生长过程中,下层GaN中的位错会继续向上延伸并随着形核岛的长大而向水平方向弯曲;当形核岛互相合并时,部分具有相反伯格斯矢量的位错会形成位错环而互相湮灭。与此同时,GaN形核岛互相合并时也会产生新的位错并向上延伸。当SiN_x沉积120 s时,新位错少于相互湮灭的位错,从而使位错密度降低,晶体质量得到改善。此外,形核层退火后沉积SiN_x插入层时,GaN薄膜位错密度最低,晶体质量最优。这是因为SiN_x插入层覆盖了蓝宝石衬底和截角锥顶部高温分解留下的六边形坑的侧壁,部分位错被SiN_x阻挡,不能继续向上延伸,使晶格失配产生的螺位错数量大大减少。同时,在SiN_x生长的高温阶段,一些晶体质量较差或尺寸过小的形核岛很快分解,形核岛的数量减少,从而使形核岛边界处产生的刃位错的数量减少。无SiN_x掩膜层的GaN薄膜经腐蚀后表面分布有大量大小不一的腐蚀坑,而具有SiN_x掩膜层的GaN薄膜经腐蚀后呈纳米多孔结构,其被腐蚀的程度随腐蚀时间的延长和腐蚀温度的升高而加剧。当腐蚀时间为15 min、腐蚀温度为200℃时,纳米孔的直径和深度达到最佳,且尺寸分布最为均匀。在化学腐蚀GaN薄膜的过程中,SiN_x掩膜层起到保护作用,使被其覆盖的区域不被酸腐蚀,形成纳米多孔结构的侧壁。
【图文】：

纤锌矿结构,闪锌矿结构,氯化钠,晶体结构

1.2 GaN 的基本性质1.2.1 GaN 的晶体结构III-V 族半导体材料包括 GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN 等，都是直接带隙半导体材料，其中 GaN 是运用最为广泛的 III 族氮化物。GaN 有三种晶体结构，分别为纤矿（六方相）结构、闪锌矿（立方相）结构和岩盐（NaCl 结构）结构，如图 1-1 所示[9]岩盐结构的 GaN 需要在极端的高压条件下经过相变才能形成，这种结构不常见。纤锌矿结构是热力学稳定结构，闪锌矿结构是 GaN 的亚稳态结构，外延生长只涉及这两种结构，，两者的区别在于原子层的堆积次序不同。纤锌矿结构沿c轴<0001>按照ABAB…的顺序堆叠，闪锌矿结构沿<111>按照 ABCABC……的顺序堆叠，如图 1-2 所示[10]。叠次序的不同造就了纤锌矿结构更好的热力学稳定性，因此纤锌矿结构的 GaN 应用更为广泛。

示意图,极性,纤锌矿结构,示意图

图 1-2 GaN 晶体两种结构的原子排列示意图Fig.1-2 Diagram of atomic structures of two kinds of GaN crystals矿结构ABCABC……的堆叠方式造成了两种不同极性的GaN，两种极性的叠方式如图 1-3 所示。通常情况下 Ga 极性面光亮平整而 N 极性面粗糙，同性也会引发不同的极化电场进而对晶体的光电学性质产生重要的影响[11,12用 MOCVD 在蓝宝石衬底上生长的二维 GaN 薄膜通常为 Ga 极性面。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】