基于亚微米深孔的Si衬底上GaN选择性外延及横向外延

发布时间：2020-03-22 07:59

【摘要】：GaN是一种性能优越的第三代宽禁带半导体材料,直接带隙宽度为3.4eV,可以被用于制造高性能光电子器件、高功率电力器件以及高频电子器件等,具有广泛的应用前景和经济价值。然而,GaN晶体也是最难以获得的半导体材料之一。GaN单晶衬底非常难以制备且价格极其昂贵,这一瓶颈极大地制约了 GaN技术的发展前途。过去几十年,最常用的解决方法是在蓝宝石、SiC等衬底上通过异质外延生长获得GaN薄膜材料。与常用的蓝宝石、SiC衬底相比,Si衬底作为GaN的外延衬底不仅价格低廉,而且比较容易实现与现有主流Si基CMOS集成电路及其它Si基器件和系统的集成。然而,GaN与Si衬底之间的晶格失配和热膨胀系数失配是GaN在其上生长的两大阻碍。不仅典型位错密度高于其它常用衬底,而且严重时可导致外延薄膜开裂,根本无法达到制造器件的要求。为了降低Si基GaN外延薄膜的应力,提高GaN薄膜的晶体质量,本文采用的外延技术是图形化衬底技术以及加顶部限制层的横向外延技术,并研究GaN晶体在这些结构中的外延质量。1、在小尺寸的图形化结构中的选择性外延有利于减少GaN和Si衬底异质界面上的应力累积,减少位错数量,并且避免外延薄膜开裂。另外,在高深宽比的小孔中的GaN选择性异质外延,可阻断外延时产生的贯通位错。因此我们设计了亚微米以及纳米尺度的小孔图形,且小孔深宽比大于1:1。结合AlN缓冲层技术,在这些小且深的孔洞中进行GaN晶体的外延生长。实验发现在这些小且深的孔洞中获得了几乎无位错的高质量GaN晶体,并且这些孔洞结构对异质外延产生的位错过滤效果明显。2、小孔中的GaN材料面积太小,无法制作横向尺寸超过亚微米量级的器件。为实现更大尺寸GaN半导体器件的制造,本课题在上述小孔中获得高质量GaN材料的基础上,采用了 2种方法:(1)在小孔中GaN生长之后,在掩膜层上面进行横向外延,小孔阵列的GaN进行合并,以增大GaN的横向面积;(2)利用加顶部限制层的横向外延技术在横向距离8um或者25 um,高度为300 nm的空腔结构中外延大面积GaN薄膜。实验发现,(1)小孔正上方区域的GaN质量很高,但相邻小孔生长出的GaN在合并区域产生大量层叠位错;(2)加顶部限制层的横向外延结构样品中,横向外延距离为8um的样品成功生长出了 GaN晶体。综上所述,本论文充分的利用GaN的选择性生长这一特点,设计了多种亚微米、纳米图形尺寸和深宽比,并且设计了多种加顶部限制层的横向外延空腔结构。实验证明,深的亚微米结构确实可以起到减少位错的作用,并提高GaN的晶体质量。同时在此基础上,通过在掩膜层上面直接进行横向外延,或者利用加顶部限制层的空腔结构中的横向外延技术,可以极大地增加GaN薄膜的横向面积,以便制作大尺寸的GaN器件。这些生长方法也为GaN半导体材料在其它衬底上的生长提供了新的思路。
【图文】：

蓝光,器件

漂移饱和速度高，在电子器件中电性能优良；此外它们因为介电常数小，导热性能逡逑好等特点被广泛关注。第三代宽禁带半导体适合应用在固态照明和功率器件上，功逡逑率器件主要应用于高频、大功率和高密度集成的电子器件，如图１．１中ＬＥＤ或ＨＥＭＴ逡逑器件等，它们可以成为支撑未来能源节约型社会的基础［２］。逡逑ｎ逡逑图１．邋１蓝光ＧａＮ基ＬＥＤ器件逡逑ＧａＮ的熔点高徸２８０（ＴＣ，此时ＧａＮ的平衡蒸气压高达４５０００大气压，这使ＧａＮ体逡逑单晶的制备极为困难，很难得到大尺寸ＧａＮ同质衬底［：”。目前，ＧａＮ本征衬底的价格逡逑十分昂贵，只有在十分精密和高级的系统中才会应用。所以，ＧａＮ—般只能生长在其逡逑它的单晶衬底上，，常见的有蓝宝石、ＳｉＣ和Ｓｉ邋（１１１）衬底等。上述在一种单晶材料逡逑的表面生长另一种不同单晶材料的过程称为异质外延。通常情况下，所有半导体材逡逑料的异质外延都存在两个问题，即不同半导体材料之间的晶格失配和热膨胀系数失逡逑配

腐蚀作用,衬底,外延生长

逡逑在２００３年，Ａ．邋Ｄａｄｇａｒ等人［２２］发现了Ｓｉ上直接外延生长ＧａＮ，会产生很严重的腐蚀问题，逡逑如图２．邋１所示逡逑ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ邋ＧａＮ邋ｌａｙｅｒ邋｜逡逑－邋？逡逑ＩＢＨＨＨ逡逑图２．１邋Ｇａ反应源对Ｓｉ衬底的腐蚀作用逡逑５逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304.2

【参考文献】