自支撑GaN单晶的HVPE生长及加工研究
发布时间：2020-12-13 20:44
GaN作为第三代半导体材料因其优异的物理化学性能,被广泛应用在短波长光电子器件和高频微波器件等领域。由于同质GaN衬底的缺乏,大部分的GaN器件均是在异质衬底上外延生长制作而成,然而因为与异质衬底之间存在着大量的晶格失配和热失配,GaN基器件内部存在较多的位错和较大的残余应力,这使其稳定性和使用寿命受到严重损害。降低应力能够有效地提高器件的稳定性,而通过GaN单晶衬底同质外延生长GaN基器件能够在根本上解决这些问题。氢化物气相外延法（Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE）具有设备简单、生长速度快及成本低等优点,被认为是最有前景的GaN单晶生长方法。本文采用HVPE法生长GaN单晶,主要对生长条件进行了优化,通过制备低应力缓冲衬底,成功生长出应力状态均匀的GaN单晶,提高了器件的性能;利用调控生长模式多步直接生长的方法得到了自支撑GaN单晶,为GaN同质衬底的获得提供了可能;对GaN单晶的加工进行了系统研究,为进一步的同质衬底及器件制备创造条件。具体研究内容如下:（1）研究了不同温度场环境（包括恒温和变温条件）对生长的GaN晶体质量和性质等方面的影响。恒温条件...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１纤锌矿ＧａＮ晶体的晶胞结构图
山东大学博士学位论文??⑷?Ａ?Ａ?（ｂ）?Ａ?Ａ?（ｃ）?供?Ａ??ＶＶ＊?ＶＭ＊?Ｖｆ??？恭＃私??ｃ面?｛１１－２２｝??图１－２?ＧａＮ单晶的极性面（ａ）、非极性面（ｂ）、和一种半极性面（ｃ）??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ａ），?ｎｏｎ－ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ｂ）?ａｎｄ?ｏｎｅ?ｋｉｎｄ?ｏｆ?ｓｅｍｉ－ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ｃ）?ｏｆ?ＧａＮ?ｃｒｙｓｔａｌ??完美的ＧａＮ晶体中，原子的排列是严格有序的，但是在生长过程中会不可??避免的产生缺陷，而缺陷的存在不仅破坏了晶体结构的完整性，还会对晶体的物??理性质产生影响，因此关于晶体中缺陷的产生、相互作用等研宄对于提升半导体??材料的光电性能，提高器件的稳定性都具有非常重要的意义Ｐ１。晶体中缺陷的??形成是由于原子的有序排列周期被破坏导致，根据尺度和形貌，晶体中的缺陷被??分为四种：点缺陷，又称零维缺陷，它和单个原子的位置有关，如空位、杂质间??隙原子、替代原子；线缺陷，又称一维缺陷，多数与某一晶体方向有关，主要是??位错；面缺陷，又称二维缺陷，它与某个晶面有关，典型代表是晶界；体缺陷，??又称三维缺陷，常见的包括孔隙、孔洞和开裂［２６Ｌ??１．２．２?ＧａＮ单晶的性质??ＧａＮ优异的物理化学性质使其在光电子和高频电子器件领域具有非常重要??的应用价值１２７＿２９］，且能够应用于更多严苛的使用环境。ＧａＮ拥有非中心对称结??构和较强的离子键，使ＧａＮ单晶具有较强的自发极化效应，这能够增强半导体??异质结结构中的二维电子气的浓度［３（Ｕ１］。表１－１为纤锌矿ＧａＮ单晶的主要性质??参数。??４??
山东大学博士学位论文??Ｎ２?ｇａｓ?（５０?ａｔｍ）??ａｍ??７５０．?ｏｒ?８００°Ｃ??？?Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ?ｃｏｎｔａｉｎｅｒ??Ａｌｕｍｉｎａ?ｃｒｕｃｉｂｌｅ??＞??丨?Ｎ２?ｇａｓ?］｜??ｉｌｌ??＼?Ｐｏｌｙ－ｃｒｙｓｔａｌｓ??々？竹’??Ｇａ－Ｎａ?ｍｅｉｒ＾＊．??＜?ＬＰＥ－ＧａＮ??图１－３助溶剂法生长ＧａＮ原理示意图［４０］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｎａ－Ｆｌｕｘ?ｍｅｔｈｏｄ?ｔｏ?ｇｒｏｗ?ＧａＮ?ｃｒｙｓｔａｌ１４０＾??１．３．１．２氨热法生长ＧａＮ单晶??研究者们受水热法大量生产石英的启发，开发了用于ＧａＮ晶体生长的氨热??法（Ａｍｍｏｎｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｔｈｏｄ）。氣热法生长过程类似于水热法，其生长原理如图??１－４所示，将多晶ＧａＮ或Ｇａ原料置于高压的超临界氨环境中。通过温度梯度控??制，将高压釜分为生长区（低的ＧａＮ溶解度）和进料区（高的ＧａＮ溶解度）。??通过对流的方式，将溶解性较高的ＧａＮ从原料区输送到生长区，由于生长区存??在过饱和度，ＧａＮ能够在籽晶上结晶并继续生长。生长过程中未反应的原料又??通过对流的方式送回原料区，通过这种方式循环生长获得ＧａＮ。然而，ＧａＮ在??超临界氨中的溶解度仍然不足以实现ＧａＮ的连续生长，因此需要增加矿化剂来??提高其溶解度。目前常用的矿化剂可分为两种典型类型：碱性矿化剂，如ＸＮＨ２??（Ｘ?＝?Ｌｉ，Ｎａ，?Ｋ）和酸性矿化剂，如ＮＨ４Ｙ?（Ｙ?＝?Ｃ１，?Ｂｒ，?Ｉ）。由于化学性质的??不同，氨热法的碱性矿化剂和酸性矿化剂是不同的：在酸性矿化剂溶液中溶解度
【参考文献】：
期刊论文
[1]薄膜的晶格失配应力分析[J]. 吕建国,王成彪,于翔,付志强. 科技创新导报. 2008(20)
博士论文
[1]GaN缓冲衬底的制备及其单晶生长研究[D]. 张保国.山东大学 2019
[2]利用多孔衬底HVPE生长GaN单晶及其不同晶面性质的研究[D]. 霍勤.山东大学 2018
[3]HVPE生长自支撑GaN单晶及其性质研究[D]. 田媛.山东大学 2016
[4]GaN单晶的HVPE生长及其应力和晶体取向研究[D]. 邵永亮.山东大学 2013
本文编号：2915154
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１纤锌矿ＧａＮ晶体的晶胞结构图
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山东大学博士学位论文??Ｎ２?ｇａｓ?（５０?ａｔｍ）??ａｍ??７５０．?ｏｒ?８００°Ｃ??？?Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ?ｃｏｎｔａｉｎｅｒ??Ａｌｕｍｉｎａ?ｃｒｕｃｉｂｌｅ??＞??丨?Ｎ２?ｇａｓ?］｜??ｉｌｌ??＼?Ｐｏｌｙ－ｃｒｙｓｔａｌｓ??々？竹’??Ｇａ－Ｎａ?ｍｅｉｒ＾＊．??＜?ＬＰＥ－ＧａＮ??图１－３助溶剂法生长ＧａＮ原理示意图［４０］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｎａ－Ｆｌｕｘ?ｍｅｔｈｏｄ?ｔｏ?ｇｒｏｗ?ＧａＮ?ｃｒｙｓｔａｌ１４０＾??１．３．１．２氨热法生长ＧａＮ单晶??研究者们受水热法大量生产石英的启发，开发了用于ＧａＮ晶体生长的氨热??法（Ａｍｍｏｎｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｔｈｏｄ）。氣热法生长过程类似于水热法，其生长原理如图??１－４所示，将多晶ＧａＮ或Ｇａ原料置于高压的超临界氨环境中。通过温度梯度控??制，将高压釜分为生长区（低的ＧａＮ溶解度）和进料区（高的ＧａＮ溶解度）。??通过对流的方式，将溶解性较高的ＧａＮ从原料区输送到生长区，由于生长区存??在过饱和度，ＧａＮ能够在籽晶上结晶并继续生长。生长过程中未反应的原料又??通过对流的方式送回原料区，通过这种方式循环生长获得ＧａＮ。然而，ＧａＮ在??超临界氨中的溶解度仍然不足以实现ＧａＮ的连续生长，因此需要增加矿化剂来??提高其溶解度。目前常用的矿化剂可分为两种典型类型：碱性矿化剂，如ＸＮＨ２??（Ｘ?＝?Ｌｉ，Ｎａ，?Ｋ）和酸性矿化剂，如ＮＨ４Ｙ?（Ｙ?＝?Ｃ１，?Ｂｒ，?Ｉ）。由于化学性质的??不同，氨热法的碱性矿化剂和酸性矿化剂是不同的：在酸性矿化剂溶液中溶解度
【参考文献】：
期刊论文
[1]薄膜的晶格失配应力分析[J]. 吕建国,王成彪,于翔,付志强. 科技创新导报. 2008(20)
博士论文
[1]GaN缓冲衬底的制备及其单晶生长研究[D]. 张保国.山东大学 2019
[2]利用多孔衬底HVPE生长GaN单晶及其不同晶面性质的研究[D]. 霍勤.山东大学 2018
[3]HVPE生长自支撑GaN单晶及其性质研究[D]. 田媛.山东大学 2016
[4]GaN单晶的HVPE生长及其应力和晶体取向研究[D]. 邵永亮.山东大学 2013
本文编号：2915154
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