多孔衬底上HVPE生长GaN单晶的研究

发布时间：2018-04-06 03:24

  本文选题：HVPE　切入点：GaN　出处：《山东大学》2015年博士论文

【摘要】：以GaN为代表的Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体由于其出色的性能,在微电子器件和光电器件领域有广泛的应用。然而现阶段GaN基器件大多是异质外延制备的,晶格失配和热失配限制了GaN基器件的性能提高。同质外延已经被公认为从根本上解决GaN基器件瓶颈的方法,HVPE (Hydride Vapor Phase Epitax,氢化物气相外延)技术制备自支撑GaN单晶成为研究的热点。而GaN晶体和衬底的自剥离是获得自支撑GaN单晶的关键技术之一,本文利用不同方法制备多孔衬底,并开展了在多孔衬底上利用HVPE方法生长自剥离GaN单晶的研究,具体研究内容如下：1.系统研究了GaN外延生长过程中原子的扩散输运对外延层的生长模式、表面形貌和微观结构的影响。探讨了Ⅴ/Ⅲ比、微观原子扩散与宏观应力之间的关系,利用微观原子扩散理论将宏观应力性质和生长动力学联系起来,为在不同应力状态下的衬底上生长高质量GaN单晶提供依据。为了研究衬底的不同应力对晶体生长的影响,我们分别在两种不同应力状态的MGA (MOCVD-GaN onAl2O3)和MGS(MOCVD-GaN on SiC)衬底上,通过调节Ⅴ/Ⅲ比获得了高质量GaN单晶。实验和理论结果发现,高Ⅴ/Ⅲ可以获得高的原子迁移能力,不同应力通过影响表面扩散势垒影响原子的迁移,在此基础上讨论了通过Ⅴ/Ⅲ调节来克服衬底应力对晶体生长影响的机理,证明应力及表面生长动力学模型拓展了GaN单晶的生长机理研究,为在各种新型衬底上制备GaN单晶打下了基础。2.使用高温退火工艺制备了具有多孔结构的HTAP (high temperature annealing porous,高温退火多孔)衬底,并用作HVPE生长籽晶制备了高质量自剥离GaN单晶。利用在一定温度和气氛下GaN晶体的选择性分解,研究了退火温度、退火时间、退火气氛及衬底的掺杂、位错等因素对高温退火后结构的影响,使用HVPE方法,在HTAP衬底上制备得到的自支撑GaN晶体,利用HRXRD测试其半峰宽,发现(002)和(102)衍射峰半峰宽和普通衬底上制备的GaN晶体相比更小；PL测试的结果表明,HTAP衬底制备的GaN位错密度更低,光学质量更好；而Raman光谱结果表明HTAP衬底制备的GaN残余应力大大减小。3.利用Si02图形掩膜的辅助作用,通过高温退火形成具有层状倒金字塔结构的图形化多孔衬底,并用作HVPE生长籽晶制备了高质量GaN单晶。由于GaN单晶位错位置处的活化能较低,在一定温度下,GaN单晶易于在位错处发生分解,从而形成倒金字塔形状的多孔结构。高温退火后得到的多孔结构密度和位错密度相关,退火时形成的倒金字塔结构,呈现固定的分解停止晶面；而Si02图形掩膜可以调节横向分解速度和纵向分解速度,使得多孔结构更加均匀；由于多孔结构的存在,在衬底和GaN单晶之间形成了空隙结构,减少了衬底的机械强度,具有柔性缓冲层的作用,这有助于提高GaN单晶质量,减少其内部应力,促进晶体的自剥离。4.使用两步腐蚀方法腐蚀MOCVD-GaN外延片,形成均匀的倒三角多孔结构衬底,利用该衬底制备得到GaN单晶。首先利用电化学腐蚀外延片可以形成能够到达衬底和GaN交界处的小孔径管道,然后热磷酸溶液通过该小孔径管道可以到达界面处,由于N面比Ga面更容易腐蚀,热磷酸可以腐蚀N面GaN形成倒三角多孔结构,而在其表面没有形成较大的腐蚀坑,研究发现外延片的质量、掺杂情况、腐蚀液的选择、腐蚀偏压等因素对腐蚀后的形貌结构具有较大的影响；利用这种两步腐蚀法得到的具有平整表面和多孔界面结构的衬底作为籽晶进行晶体生长,可以提高晶体质量、减少残余应力,且有利于衬底自剥离。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.2

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本文编号：1717766