HVPE生长自支撑GaN单晶及其性质研究

发布时间：2018-02-15 21:34

  本文关键词： HVPE GaN单晶 低温缓冲层 自支撑 位错表征　出处：《山东大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：GaN是一种非常重要的直接带隙宽禁带半导体材料,被广泛应用于光电子器件和电力电子器件。但是由于缺乏GaN单晶衬底,目前大部分GaN基器件都是在异质衬底上制备的,而二者之间存在的晶格失配和热失配导致GaN外延层中的位错密度较高,这大大降低了GaN基器件的性能和使用寿命,因此亟需高质量的GaN单晶衬底来解决这一问题。氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)法是一种极具前景的生长GaN单晶的方法,但是HVPE法生长GaN单晶主要在异质衬底上进行,因此GaN与异质衬底之间的分离成为获得GaN单晶衬底的一个重大挑战。目前使GaN与异质衬底分离最常用的方法是机械研磨和激光剥离,另外还可以通过在衬底上做结构,使GaN在生长结束后从异质衬底上自剥离,但是这些方法一般都比较复杂,而且会增加成本。本论文的研究工作主要是优化HVPE生长GaN晶体的工艺,并采用低温缓冲层技术,分别在蓝宝石衬底和SiC衬底上生长自支撑GaN单晶。论文主要研究工作如下：1.研究了Ⅴ/Ⅲ对GaN晶体质量和光电性质的影响,发现随着Ⅴ/Ⅲ的增加,GaN单晶中的位错密度降低、残余应力增加、载流子浓度降低、电子迁移率升高、光学性能变好。当Ⅴ/Ⅲ从10增加到50时,GaN单晶中的位错密度降低了近一个数量级,残余应力升高了3倍,这主要是由于随着Ⅴ/Ⅲ的增加,Ga原子的平均扩散距离增加,生长模式从3D模式向2D模式转换,从而使位错密度降低,残余应力变大。对GaN单晶表面进行的EBSD分析发现随着Ⅴ/Ⅲ的增加,菊池衍射花样质量变好,但是晶体取向偏离理想情况的角度变大。SMS结果表明随着Ⅴ/Ⅲ的增加,Si杂质浓度升高而O杂质浓度降低,C杂质浓度先降低后升高,H杂质浓度基本保持不变。另外,随着Ⅴ/Ⅲ从10增加到50,GaN单晶的载流子浓度从2.118×1018cm-3降低到7.414×1017cm-3,电子迁移率从65 cm2/V sec升高240 cm2/V sec,并且PL光谱的带边发射峰增强,黄光带减弱。2.开发了一种采用低温缓冲层技术在蓝宝石衬底上生长自支撑GaN单晶的方法,通过研究缓冲层的厚度和退火温度对GaN晶体质量的影响,确定了最佳工艺条件,获得了高质量的自支撑GaN单晶。当缓冲层厚度为800nnm,退火温度为1090℃时,得到的HT-GaN (high temperature GaN)晶体质量最好,对应的GaN(002)面和(102)面的半峰宽分别为250arcsec和215arcsec, HT-GaN残余应力较小,并且其光学性质最好。对其表面进行的EBSD分析发现,HT-GaN表面BS值相对较高,这也说明其内部应力较小。在最佳工艺条件下进行HT-GaN的生长时,当晶体厚度超过300μm, GaN单晶就会从蓝宝石衬底上自剥离。3.采用低温缓冲层技术在SiC的C面上直接生长自支撑GaN单晶,系统研究了不同缓冲层工艺和Ⅴ/Ⅲ对GaN晶体质量的影响,确定了最佳工艺条件,获得了高质量的自支撑GaN单晶。在无缓冲层条件下进行HT-GaN的生长时,得到的HT-GaN为多晶且不能与衬底分离；在没有经过退火的缓冲层上进行HT-GaN的生长时,得到的HT-GaN能从衬底上自剥离但仍为多晶,从而证明了缓冲层在提高晶体质量和缓冲应力方面起了重要作用。通过对比不同缓冲层生长时间下和Ⅴ/Ⅲ下得到的HT-GaN的晶体质量,确定了当缓冲层生长时间为30min、Ⅴ/Ⅲ为90时得到的HT-GaN晶体质量最好,并且生长结束后,GaN单晶可以从SiC上自剥离,而SiC衬底没有受到任何破坏,可以重复使用。在此生长条件下得到的自支撑GaN单晶的(002)和(102)面的半峰宽分别为261arcsec和272arcsec,单晶接近无应力状态并且其光学性质良好。对自支撑GaN断面进行EBSD扫描发现,随着厚度的增加,自支撑GaN的晶体质量提高,应力减小。4.根据位错的应变能和退火坑形成自由能之间的关系,开发了一种新的表征GaN中位错的方法—高温退火法。由于位错的应变能会降低退火坑形成的自由能,从而使退火坑在位错处优先形成,且由于混合位错和螺位错的应变能大于刃位错的应变能,使得混合位错和螺位错对应的退火坑尺寸大于刃位错对应的退火坑尺寸,因此可以根据退火坑的差异对不同的位错进行表征。通过研究不同的退火温度下GaN表面退火坑的分布和形貌变化发现退火温度为1100℃,退火时间为5min是表征位错的最佳条件。AFM测试结果表明,有大小两种退火坑,且大的退火坑有两种形状,分别为：倒梯形和倒金字塔形,这两种形貌的退火坑对应的晶面相同,都是{2023}面；将高温退火法与KOH-NaOH混合熔融液腐蚀法和CL表征位错进行对比,发现高温退火法能够有效的辨别位错种类,评估位错密度；通过TEM测试证明了退火坑为位错线的终端,且大的退火坑对应的是混合位错和螺位错,小的退火坑对应的是刃位错。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304

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本文编号：1513928