Al衬底上PLD外延组分可控AlGaN

发布时间：2019-09-11 14:53

【摘要】：三元化合物半导体AlGaN随着Al组分从0变化到1,可实现禁带宽度从3.4 eV到6.2 eV,即对应波长范围从365 nm到200 nm连续可调;可用于制备紫外发光二极管、紫外探测器、高电子迁移率晶体管等器件。为了制备高性能器件,高质量AlGaN外延材料的研发势在必行。目前,外延生长AlGaN的衬底主要是蓝宝石和Si等。这些衬底与AlGaN之间的晶格失配度较大,难以进行高质量Al Ga N外延薄膜的生长。采用金属Al作为衬底可以有效地解决上述问题。金属Al(111)与AlGaN(0002)之间晶格失配度为8.9%~11.4%,且通过合理控制外延生长工艺,可实现Al组分可控AlGaN的外延。目前,外延生长AlGaN的技术主要有磁控溅射(reactive magnetron sputtering,RMS)、金属有机物气相沉积(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)、原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)、以及脉冲激光沉积(pulsed laser deposition,PLD)等。RMS外延生长温度高、生长室真空度低等;MOCVD技术外延生长温度高,且存在不可逆TMAl-NH3预反应;MBE技术外延生长温度高、存在界面反应等;ALD生长速度慢、生长室真空度低等。相比之下,PLD能够有效解决上述问题。脉冲激光烧蚀靶材产生的羽辉等离子体具有很高的动能,可在低温、合适的真空度下进行外延生长具有突变异质结界面的薄膜,且不存在预反应,灵活性强。因此,本论文采用PLD在Al衬底上外延生长Al组分可控的AlGaN。然而,传统的PLD,由于激光烧蚀靶材产生粒子定向性好,导致外延生长的薄膜厚度均匀性较差。针对上述现状,本论文采用激光Raster辅助PLD在Al衬底上外延生长Al组分可控AlGaN,并对Al衬底上AlGa N的缺陷形成和湮灭机制以及生长机理进行系统而深入地研究。本论文主要研究内容和结论如下:首先,采用PLD在Al衬底上外延高均匀性无裂纹AlN。通过研究单脉冲激光能量、生长气压、生长温度、衬底氮化、降温速度对AlN外延的晶体质量、表面形貌、应力状态、界面性能影响,从而在Al衬底上实现了高质量AlN外延。尽管Al衬底比较活泼,但脉冲激光烧蚀产生的羽辉等离子体具有较高动能,可在较低的温度下实现外延生长,从而有效地抑制AlN与Al之间的界面反应,实现了具有突变异质界面的高质量AlN外延。此外,本论文研究了激光Raster辅助PLD对Al衬底上AlN外延的厚度均匀性和表面粗糙度均方根(root-mean-square,RMS)均匀性的影响。通过调节Raster程序,改变激光Raster在靶材的扫描位置和速度,改变了羽辉等离子体的空间分布,从而实现AlN羽辉等离子体在衬底上的均匀沉积。最后,本论文还讨论了Al衬底上PLD外延AlN的缺陷形成和湮灭机制及其生长机理。Al衬底氮化处理不仅可以释放应力,还生成了一层AlN外延形核层,为后期AlN外延提供模板;PLD高能效应能够帮助粒子克服能量势垒进行迁移、扩散、形核和生长;PLD脉冲效应让粒子有足够的时间迁移到平衡位置,三者结合促进AlN的二维生长。其次,采用PLD在Al衬底上外延Al组分可控的高均匀性无裂纹AlGaN。基于Al衬底上AlN外延生长的优化工艺,再通过合理选择靶材以及调节外延生长温度,实现了不同Al组分AlGaN的外延。基于此,本论文提出了在脉冲激光烧蚀产生的GaN粒子先以GaN形式在Al衬底上形核,然后Al原子通过扩散进入GaN晶格,部分取代了GaN晶胞中Ga的位置,从而实现了AlGaN的外延。由于衬底温度不同,Al原子扩散进入GaN晶格的程度不同,因此可实现不同Al组分AlGaN的外延。通过研究不同生长工艺对AlGaN的晶体质量、表面形貌、应力状态、界面性能、Al组分均匀性等影响可知采用低温外延结合高温外延,可实现高质量AlGaN外延。在低温条件下外延,可在衬底表面形成大量的形核岛,有利于粒子的形核;同时,这个过程释放了衬底与薄膜之间因晶格失配而产生的应力。接着进行高温外延生长,一方面,Al原子扩散加剧,生成了具有与高温条件下外延生长相同Al组分的AlGa N;另一方面,由于高温外延促进粒子的迁移,从而加快了岛之间的合并和交联,导致大量穿透位错发生弯曲、偏转等,实现了2μm厚高质量无裂纹的AlGaN外延。最后,采用PLD在Al衬底上外延高均匀性无裂纹GaN。基于优化的PLD工艺条件,本论文研究了无缓冲层、不同晶态缓冲层及非晶插入层技术对外延生长的GaN晶体质量、表面形貌、应力状态、界面性能的影响,可知AlN晶态缓冲层结合AlN非晶插入层技术可以实现高质量GaN的外延。一方面,AlN能够有效抑制Al原子扩散进入GaN晶格,同时AlN与Al晶格失配度小,有利于减少晶格失配产生的位错;另一方面,由于AlN非晶层的插入,有效地释放应力;同时导致大量位错在非晶层内发生弯曲、偏转等,进而阻止了位错向GaN外延层的延伸,从而实现了高质量无裂纹Ga N外延。此外,本论文还研究了采用PLD在AlN/Al异质结上外延生长GaN的形核机理。本论文在Al衬底上外延的高质量Al组分可控Al GaN,将为制备高性能紫外探测器、紫外发光二极管等器件打下坚实基础。同时,通过深入研究PLD外延生长Al组分可控AlGaN的缺陷形成与湮灭机制,为高质量AlGaN外延提供重要指导。
【图文】：

图 1 GaN 的结构示意图(a)纤锌矿结构；(b)闪锌矿结构；(c) NaCl 结构Fig. 1-1 The schematic diagram of GaN structure, (a) wurtzite, (b) zinc-blende and (c) NaCl structures六方纤锌矿(hexagonal, wurtzite) 结构的 GaN 具有六次旋转对称性，是由六角单胞构成，因而具有两个晶格常数(a 和 c)。对于一个 GaN 的单胞是由两套套构沿着[0001]方向移动 3/8c 距离形成的。此种情况下的 GaN 对称点群是六方纤锌矿结构，其空间群为P63mc，其晶格常数是 a=0.3189 nm，，c=0.5185 nm [20-21]。对于这种结构的 GaN 晶格排布是：….GaANAGaBNBGaANAGaBNB…...。六方纤锌矿结构 GaN 在[0001]、[11-20]和[1-100]方向的晶体结构如图 1-2 所示。这种结构是 GaN 最稳定的结构 [18-19]。有关六方纤锌矿结构 GaN 以及 AlN 的物理参数如表 1-1 所示。

图 1 GaN 的结构示意图(a)纤锌矿结构；(b)闪锌矿结构；(c) NaCl 结构Fig. 1-1 The schematic diagram of GaN structure, (a) wurtzite, (b) zinc-blende and (c) NaCl structures六方纤锌矿(hexagonal, wurtzite) 结构的 GaN 具有六次旋转对称性，是由六角单胞构成，因而具有两个晶格常数(a 和 c)。对于一个 GaN 的单胞是由两套套构沿着[0001]方向移动 3/8c 距离形成的。此种情况下的 GaN 对称点群是六方纤锌矿结构，其空间群为P63mc，其晶格常数是 a=0.3189 nm，c=0.5185 nm [20-21]。对于这种结构的 GaN 晶格排布是：….GaANAGaBNBGaANAGaBNB…...。六方纤锌矿结构 GaN 在[0001]、[11-20]和[1-100]方向的晶体结构如图 1-2 所示。这种结构是 GaN 最稳定的结构 [18-19]。有关六方纤锌矿结构 GaN 以及 AlN 的物理参数如表 1-1 所示。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.26


本文编号：2534488