低位错GaN及低温AlN的MOCVD外延生长研究

发布时间：2020-03-19 14:43

【摘要】：随着Ⅲ族氮化物外延技术的发展和器件制备工艺的进步,基于GaN的各类光电子器件发展迅速。为满足高性能大功率GaN基光电子器件和电力电子器件的要求,制备更少缺陷更高质量的GaN材料是必要且具有挑战性的。在蓝宝石衬底上异质外延生长的GaN的位错密度较高,降低位错的方法主要有侧向外延技术和图形化蓝宝石衬底,这些方法工艺复杂,制作成本较高,而原位生长的非晶SiN_x也能对GaN材料中的穿透位错起阻挡作用。基于此,本论文提出了一种缺陷优先钝化法来降低蓝宝石衬底上异质外延GaN的穿透位错密度。另一方面,低温AlN薄膜常用于晶体管中作为绝缘层和界面层,常使用ALD的方法来制备,其生长速率较慢,原材料浪费较严重。此前,我们实验室对MOCVD设备进行了半面进气改造,理论上可实现类似于ALD的进气模式。在此基础上,本论文使用MOCVD半面进气模式生长低温AlN薄膜,并研究了它的生长特性和AlN薄膜的表面形貌、结晶性以及光学特性等。论文主要内容如下:(1)为降低蓝宝石衬底上异质外延GaN的穿透位错密度,我们提出了缺陷优先钝化法。首先在蓝宝石衬底上外延GaN籽晶层,然后使用湿法腐蚀的方法在籽晶层表面产生位错坑,再放入MOCVD设备中原位生长SiN_x插入层和第二层GaN,通过非晶SiN_x优先填充位错坑阻挡穿透位错的向上传播,第二层GaN的位错密度大幅降低。在此缺陷优先钝化法中,湿法腐蚀的条件和SiN_x插入层的生长条件是降低位错的关键。我们系统地研究了SiN_x生长时间和湿法腐蚀位错坑尺寸、深度对降低GaN位错的影响,并讨论了此方法降低位错的机理:非晶SiN_x对位错的阻挡作用。最后通过优化第二层GaN的生长条件,进一步降低了GaN晶体的穿透位错密度。相比于传统两步法,此方法制备的GaN外延片的穿透位错密度降低了一个数量级。(2)我们利用改造后的MOCVD设备使用半面进气模式在异质衬底上生长了低温AlN薄膜,并研究了AlN薄膜的厚度随生长温度、TMAl和NH_3流量以及不同衬底的变化。结果表明在330~370℃,AlN薄膜的生长速率随TMAl和NH_3流量的增加不再增加,即具有自限制生长效应。在图形化蓝宝石衬底上生长了AlN薄膜表明这种方法也具有很好的保形性。进一步地,我们研究了AlN薄膜的材料密度、表面形貌随温度的变化。随着生长温度的增加,AlN薄膜的平均晶粒尺寸增加、表面粗糙度增加,因为随着生长温度的升高,AlN生长模式向岛状生长转变。材料密度也随着生长温度的升高而增大,这可能是由于更高的生长温度导致TMAl和NH_3反应更完全。最后我们还研究了AlN薄膜的结晶性和光学特性,在生长温度为350~400℃时,生长的AlN薄膜为纤锌矿型多晶,且会优先生长(002)面。AlN薄膜的光学禁带宽度会随着生长温度的上升呈增大趋势,这可能是由不同温度下生长的AlN薄膜的材料密度和厚度不同导致的。
【图文】：

图 1.1 III族氮化物的三种基本晶体结构：（a）纤锌矿结构（b）闪锌矿结构（c）岩盐结构Figure 1.1 Three basic crystal structures of Group IIInitrides: (a) wurtzite structure (b)sphalerite structure (c) rock salt structure三种晶体的结构如图 1.1 所示，其中，纤锌矿结构的 GaN（又称为 -GaN）可以看作是由 Ga 原子和 N 原子各自形成的六角密堆积子晶格沿[0001]方向平移5/8 个[0001]晶格常数形成的。闪锌矿结构的 GaN（称为 β-GaN）类似于金刚石结构，，它是由 Ga 原子和 N 原子两个面心立方子晶格沿[111]方向平移 1/4 个[111]长度套构形成的。纤锌矿结构和闪锌矿结构的配位多面体是相同的，在这两种结构中，III 族原子均是四面体配位的，即每个 Ga 原子被 4 个最近邻的 N 原子包围，形成一个四面体，每个 N 原子也被 4 个最近邻的 Ga 原子所包围。区别在于这两种结构中的原子堆垛次序是不一样的。纤锌矿结构中的密堆积面（0001）晶

图 1.2 纤锌矿 GaN 的不同极性晶面的晶体结构.2 Crystal Structure of Different Polar Crystal Faces of W型 GaN 是极性半导体，它也有一些半极性和 面是极性面，r 面是半极性面，m 面和 a 面是、混合表面终端以及未混合表面终端和各个平不同的行为。尽管对其他晶面的研究也吸引了究还是主要集中于 c 面氮化物。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304

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本文编号：2590362