基于MOCVD方法的N面GaN材料生长及特性研究

发布时间：2017-06-01 07:19

  本文关键词：基于MOCVD方法的N面GaN材料生长及特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于具有禁带宽度大、直接带隙、电子速率快、击穿场强高等优点,基于GaN基半导体材料的光电器件和微波器件已经在照明与显示、通信与雷达等领域发挥了巨大的作用。目前常规的GaN器件大都是基于Ga面GaN材料制备的,这是因为无论MOCVD还是MBE生长,Ga极性GaN材料更易可控生长,而且结晶质量、表面形貌等更为优越。但是,从材料性质来讲,与Ga极性面相比,N极性面GaN材料具有更为活跃的表面性质、与Ga面相反的极化方向、易形成更低电阻的欧姆接触等优势,在制备高性能的光电器件、探测器以及微波功率器件方面具备很大的潜力。本文基于MOCVD生长工艺,对不同衬底上N面GaN材料的生长机理、缺陷控制方法以及性质表征等进行了系统的研究。主要的研究工作和成果如下：(1)在C面蓝宝石衬底上,利用MOCVD工艺,通过采用衬底表面的深度氮化结合高Ⅴ/Ⅲ比的高温AlN成核层等方法,显著改变了生长初期衬底表面附近的化学势,成功生长出N面GaN材料,并基于化学腐蚀法证实了N面极性。AFM测试结果显示表面RMS粗糙度为3.31 nm,XRD测试结果显示螺位错密度为2.3×109cm-2,刃位错密度为5.3×109cm-2。(2)采用小角度斜切的C面蓝宝石衬底进行了N面GaN生长研究,首次发现了一种新的位错湮灭机制,即采用斜切衬底形成的GaN层错可以有效地抑制位错的延伸。通过充分利用该机制,结合生长工艺的优化,成功获得了具有高结晶质量、优良表面形貌和光学性质的N面GaN材料。通过斜切衬底与常规衬底(未斜切)上N面GaN外延材料的比较表明,(002)面摇摆曲线的半高宽由常规衬底的793 arcsec降低至斜切衬底的630 arcsec,(102)面摇摆曲线的半高宽由743 arcsec降低至626 arcsec,位错密度由2.2×109cm-2降低至1.2×109cm-2。所有测试结果均表明斜切衬底上生长的N面GaN表面具有更高的质量。通过TEM测试发现,斜切衬底N面GaN外延层中靠近成核层位置处出现层错阻挡位错向上延伸的现象,这是斜切衬底改善GaN结晶质量的主要原因。(3)深入研究了N面GaN材料中的C杂质结合问题,创新地提出了在N面GaN材料表面C杂质结合的化学模型,通过XPS测试证实了C-Ga化学键的存在,验证了所提模型的正确性,并揭示了N面GaN中表面形貌与C杂质结合的关联性,表面形貌越好,C杂质结合浓度越低,C杂质对应的黄带发光会大大抑制。通过对不同形貌N面GaN材料PL谱测试结果的比较,常规衬底上得到了N面GaN材料由于形貌较差,带边峰与黄带发光强度比IBEe/IYL为0.65,而斜切衬底上得到的N面GaN材料形貌好,IBE/IYL高达14.3,充分验证了C杂质结合模型的正确性。(4)提出了在SiC衬底通过控制高温A1N成核层生长的Ⅴ/Ⅲ比来改变GaN材料表面极性的方法,实验证实,当采用具有极高Ⅴ/Ⅲ比生长的高温A1N成核层时,能够有效控制生长表面的化学势,成功获得N面GaN材料。生长研究中发现,当高温A1N成核层Ⅴ/Ⅲ比从901提高至27026时,GaN外延材料的极性成功由Ga面转化为N面,样品表面RMS粗糙度从Ga面的0.96 nm变为N面的6.14nm,Peak-Valley起伏值由Ga面的6.4 nm变为N面的54nm,方块电阻由Ga面的高阻状态变为N面的低阻状态,表明Ga面和N面极性GaN材料存在显著的差异。(5)实验研究N面GaN样品中的O杂质含量与样品的生长温度之间的关系,发现了生长温度越低,O杂质结合率越高,并对其来源进行了解释。实验发现,GaN材料中O杂质的含量从生长温度为1050℃时的3.04×1018 cm-3升高至900℃时的3.15×1019cm-3。分析表明,N面GaN材料内部O杂质是由表面吸附O杂质而形成的,而不是由外延层内部向上扩散形成的。(6)基于第一性原理计算,系统研究了O杂质在Ga面和N面GaN材料中不同的结合特性,发现在不同极性面GaN中,O杂质的结合位置不同,而且随着O原子吸附浓度的变化,其表面吸附能也存在不同的变化规律。计算结果显示,对于Ga面GaN,O原子倾向于吸附在fcc位置；而对于N面GaN,O原子倾向于吸附在hcp位置。当O原子在GaN材料表面的覆盖率从0.25 ML不断升高至0.75 ML时,O原子在Ga面GaN的fcc位置的吸附能从-4.53 eV升高至-2.86 eV,而在N面GaN的hcp位置的吸附能从-3.35 eV降低至-3.86 eV。O原子在Ga面和N面GaN表面吸附能的完全相反的变化趋势表明N面GaN表面倾向于吸附更多的O原子。
【关键词】：N面GaN 斜切衬底 SiC衬底 杂质结合
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 符号对照表14-15
• 缩略语对照表15-20
• 第一章 绪论20-36
• 1.1 N面GaN材料及器件的研究意义20-25
• 1.1.1 N面GaN材料的特性20-21
• 1.1.2 N面GaN基HEMT器件的优势21-25
• 1.2 N面GaN材料与器件的研究发展现状25-31
• 1.2.1 N面GaN材料25-26
• 1.2.2 N面LED26-27
• 1.2.3 N面传感器27-28
• 1.2.4 N面HEMT28-31
• 1.3 N面GaN材料及器件存在的问题31-32
• 1.4 本论文主要研究内容32-36
• 第二章 GaN基材料的外延生长及表征36-42
• 2.1 GaN基材料的MOCVD外延生长36-39
• 2.1.1 MOCVD方法的生长机理36-38
• 2.1.2 MOCVD设备38-39
• 2.2 GaN基材料的表征39-42
• 2.2.1 原子力显微镜(AFM)39-41
• 2.2.2 二次离子质谱(SIMS)41-42
• 第三章 蓝宝石衬底上的N面GaN材料的生长及表征42-60
• 3.1 常规Ga面GaN材料的MOCVD法的生长及表征42-48
• 3.1.1 基于HT-AlN成核层的Ga面GaN材料的生长及表征42-44
• 3.1.2 基于LT+HT-AlN成核层的Ga面GaN材料的生长及表征44-48
• 3.2 N面GaN材料的生长及表征48-58
• 3.2.1 N面GaN材料的生长方法48-49
• 3.2.2 N面GaN材料的表征分析49-55
• 3.2.3 N面GaN材料的极性验证55-57
• 3.2.4 N面GaN材料的MOCVD生长机理讨论57-58
• 3.3 本章小结58-60
• 第四章 斜切蓝宝石衬底对N面GaN材料性能的影响60-74
• 4.1 实验方案设计60-62
• 4.2 实验测试结果62-67
• 4.2.1 SEM测试结果62
• 4.2.2 TEM测试结果62-64
• 4.2.3 CL测试结果64-66
• 4.2.4 Hall测试结果66
• 4.2.5 PL测试结果66-67
• 4.3 实验结果分析67-71
• 4.3.1 表面形貌的差异67-68
• 4.3.2 层错出现的原因68-69
• 4.3.3 光学特性的差异69-71
• 4.4 本章小结71-74
• 第五章 SiC衬底上N面GaN材料的制备74-86
• 5.1 SiC衬底的极性及对GaN材料极性的影响74-76
• 5.1.1 SiC衬底的极性74-75
• 5.1.2 SiC衬底的极性对GaN材料的影响75-76
• 5.2 SiC衬底上N面GaN材料的生长76-77
• 5.3 SiC衬底上N面GaN材料的表征分析77-83
• 5.3.1 AFM测试结果78-79
• 5.3.2 XRD测试结果79
• 5.3.3 电学特性测试结果79-80
• 5.3.4 SIMS测试结果80-81
• 5.3.5 光学特性测试结果81-82
• 5.3.6 腐蚀法验证样品极性82-83
• 5.3.7 机理讨论83
• 5.4 本章小结83-86
• 第六章 N面GaN材料中的O杂质86-106
• 6.1 N面GaN材料中O杂质的实验研究86-92
• 6.1.1 实验方案设计86-87
• 6.1.2 实验测试结果及分析87-92
• 6.2 N面GaN材料中O杂质的理论分析92-104
• 6.2.1 密度泛函理论(DFT)92-94
• 6.2.2 VASP软件94-95
• 6.2.3 理论计算的条件设置95-97
• 6.2.4 理论计算的结果97-103
• 6.2.5 理论及实验的结果讨论103-104
• 6.3 本章小结104-106
• 第七章 结束语106-110
• 7.1 本文的主要结论106-107
• 7.2 未来的工作107-110
• 参考文献110-120
• 致谢120-122
• 作者简介122-123

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