GaN基Ⅲ族氮化物外延生长及相关器件的研究

发布时间：2017-12-06 02:25

  本文关键词：GaN基Ⅲ族氮化物外延生长及相关器件的研究

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【摘要】：自2000年以来,以氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)为主的Ⅲ族氮化物半导体异质结构及相关电子器件得到了快速发展。这些Ⅲ族氮化物半导体材料因为所具备的突出的物理、化学性能而被普遍应用于光、声、电等器件领域。在Ⅲ族氮化物半导体光电器件中,GaN基发光二极管(LED)的广泛应用,开创了半导体照明的新纪元。在电力电子器件方面,Ⅲ族氮化物半导体材料以强击穿电场、高电子迁移速率及高饱和漂移速度等优势,使基于此材料体系的电力电子器件各项参数性能优异。在微波器件领域,GaN材料的高电子迁移率晶体管(HEMTs)已经应用于雷达和民用通信。此外,AlN压电单晶具有色散小、导热性好、热稳定性高、热膨胀系数低、抗酸碱腐蚀能力强和高频段声损耗低等优点。尤其是在无机非铁电的压电体系中,AlN由于极高的声表面波(SAWs)传输速率及较好的压电性能,被广泛用于高频的SAWs器件和声体波(BAWs)器件。Ⅲ族氮化物没有可用的体块单晶衬底,GaN的单晶薄膜材料只能在如碳化硅(SiC)、蓝宝石(Al2O3)和硅(Si)等其他衬底上进行异质外延生长。SiC与GaN的晶格失配和热失配度均比较小,在其上外延的GaN、AlN等单晶薄膜缺陷少、应力低。此外由于高热导率、高击穿强度等优势,SiC衬底在大功率LED、HEMTs等方面的应用上具有更大优势。使用SiC衬底的不利因素是衬底昂贵,导致器件制备成本过高。Si衬底的优势是生长及加工工艺成熟,且价格低廉,电导率和热导率相对较高。在Si衬底上通过外延工艺生长高质量的GaN等Ⅲ族氮化物更加困难,且对于LED而言,Si对光有较高的吸收系数。Al2O3相比SiC衬底而言,与GaN材料的晶格失配和热失配均较大,但是通过生长压力、温度以及生长过程中载气的选择等条件的控制,可以生长出高结晶质量的GaN薄膜。透明度好、价格便宜的Al2O3材料是当前商业化GaN基LED最常用的衬底。本论文通过Vecco和Aixtron公司生产的MOCVD系统,研究了在Al2O3和SiC衬底上Ⅲ族氮化物材料的外延生长机理。通过设计并优化外延片多层结构,生长出高质量、高性能的Ⅲ族氮化物外延结构。对GaN基LED外延的生长工艺以及芯片的物理性质进行了研究。理论探索了 HEMTs结构中2DEG与SAWs之间的相互耦合作用。同时通过COMSOL有限元分析手段对AlN基高频段SAWs器件的特性做了细致的分析,并模拟出压电材料体系的SAWs与声子晶体(PnCs)相结合的带隙可调的声滤波器。本论文的主要研究内容如下:1、GaN基LED结构的外延工艺以及其芯片Ⅰ-Ⅴ特性的测置。利用MOCVD方法在c轴取向的Al2O3衬底上外延了 GaN基LED结构,分析了底层非掺杂的GaN层的厚度和n型层的生长速度与整片外延层表面内应力及波长均匀性之间的关系。采用拉曼(Raman)散射谱对外延层表面的应力进行了测量。研究发现,底层非掺GaN层厚度的减薄以及n型GaN层生长速率的降低,均导致Raman高阶E2声子模式峰位发生蓝移,即外延层中的压应力得到适当的释放。利用光致发光(PL)光谱对LED外延片波长均匀性进行了表征。测试表明,LED结构的主波长、峰值波长以及色度的均匀性均随着底层非掺GaN层厚度的减薄以及n型GaN层生长速率的降低变得越来越好,同时PL谱半峰宽进一步的变窄。即通过外延工艺的调整,Al2O3衬底上生长的GaN基LED结构不仅结晶质量得到提升,同时通过降低外延层面内应力,整个外延片发光波长的均匀性也进一步得到优化。通过优化外延生长工艺,生长出了应力小、波长均匀性佳的GaN基LED外延结构。传统的MOCVD外延GaN基LED工艺生长时间长,致使成本居高不下。本文采用山东大学GaN课题组提供的Al2O3衬底上HVPE工艺生长的GaN薄膜作为LED外延的新型衬底(HVPE-GaN),进行了 GaN基LED外延结构的生长。利用显微镜、PL谱仪、电致发光(EL)光谱仪分别对新型衬底上外延的GaN基LED结构进行了表征。对相应LED芯片的光学和电学参数进行了测试与分析。利用新型HVPE-GaN衬底进行LED外延时不再需要非掺GaN缓冲层,有效地降低了 MOCVD的工作时间,缩减了 GaN基LED制备的成本。采用微纳加工工艺将GaN基LED外延片制备成了 LED芯片,通过对芯片的Ⅰ-Ⅴ特性的测试,研究并分析了外延LED结构中的低温p型GaN层生长条件(生长温度、In流量、Mg流量)与芯片性能之间的关系,并对芯片的静电压承受极限进行了测试,证明了所制备的LED芯片抗静电能力可达4000V以上。同时,对部分损坏的LED芯片的失效机理做了进一步的分析。2、生长条件对HEMTs外延结构性能的影响,理论计算SAWs与2DEG之间的相互作用。利用MOCVD工艺在A1203衬底上生长了 AlGaN/GaN HEMTs结构,研究了生长压力与载气(H2和N2)对AlGaN势垒层表面质量及AlGaN/GaN HEMTs沟道中2DEG迁移率的影响。采用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜-能级色散谱(SEM-EDS)表征了外延层的结晶质量。结果表明:随着反应室压力从50torr提高到100torr,外延层表面生长台阶变得更加清晰、规整,且台阶变宽,高度变低;生长压力进一步升高至200torr,表面形貌开始变差。同时发现在外延生长AlGaN势垒层时,适量的通入H2会提高AlGaN层的结晶质量。纯N2环境下生长的AlGaN势垒层表面,生长台阶附近可见一些岛状结构。H2引入后岛状结构明显变少,甚至消失。利用Hall效应测试仪测量了不同条件下AlGaN/GaN HEMTs沟道中的2DEG迁移率。在反应室压力100torr、H2流量占总载气(H2+N2)流量59%时,2DEG的迁移率达到1545cm2/V·s。通过构建模型与理论计算,研究分析了 SAWs与2DEG之间的相互作用,通过调节AlGaN/GaN异质结中2DEG的载流子浓度,实现了对SAWs在该结构中传输能量的调控。3、SiC衬底上GaN及AlN的外延生长研究了在4H-SiC衬底上外延的不同厚度的GaN层内压应力的变化,并对其结晶质量进行了评估。系统地研究了在4H-SiC衬底上MOCVD技术外延GaN薄膜的二维生长的临界厚度。通过控制GaN薄膜的生长时间得到高结晶质量、低表面粗糙度的GaN层。生长工艺优化后,获得了 600nm厚无裂纹的GaN薄膜,高分辨X-射线衍射仪(HRXRD)测得其(002)面的摇摆曲线半峰宽(FWHM)最低为279.6arcsec。上述高质量GaN薄膜为异质外延提供了优质的缓冲层。在6H-SiC衬底上利用MOCVD技术外延生长了 AlN单晶薄膜。利用HRXRD及AFM等测试手段,对MOCVD和磁控溅射两种工艺在相同晶型SiC衬底上生长的AlN薄膜进行了质量对比。HRXRD测试结果表明:MOCVD外延的AlN薄膜的(006)面衍射峰强度高于磁控溅射样品的强度,说明MOCVD技术生长的AlN薄膜的c轴取向性更好,而磁控溅射生长的AlN的取向性相对较弱。在SiC上生长的AlN薄膜,晶格失配使其受到压应力,热失配则会使其受张应力的作用。两种工艺生长的AlN薄膜,衬底峰位与薄膜实际峰间距均比理论峰间距大,即AlN薄膜受到来自衬底的压应力。这说明上述得到的两种AlN薄膜所受到的应力均为晶格失配占主导。AFM测试发现,MOCVD和磁控溅射两种工艺生长的AlN薄膜的表面粗糙度均方根分别为2.42nm和0.244nm。MOCVD工艺生长的AlN薄膜的表面呈小丘状。而磁控溅射的AlN薄膜表面各小岛间呈现逐渐合并的趋势,且可见少许生长台阶。即磁控溅射的AlN要比MOCVD外延的AlN单晶薄膜表面更加平整。4、基于AlN/SiC的SAWs滤波器及SAWs-PnCs滤波器的模拟研究在LiNb03单晶基底上通过微纳加工手段,制备了能够激发SAWs的叉指换能器(IDTs)。通过网络分析仪以及COMSOL有限元分析方法分别测试和模拟了SAWs的传输特性。并在AlN/6H-SiC压电薄膜上模拟了 SAWs的传输特性,对SAWs的传输模式进行了分析。采用三维有限元分析(3D-FEM)方法,从理论上计算了压电基底(LiNb03,GaN and AlN)上SAWs在有无增强耦合薄板的PnCs中的传输特性。结果表明:在PnCs中两个最近邻圆柱之间引入耦合增强薄板能够产生更多的能带。此外,随着耦合增强薄板厚度的增加,对应于电声器件中的带阻滤波器的SAWs禁止频段得到宽化。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN312.8;TN386;TN713

【参考文献】

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本文编号：1257058