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MOCVD法生长硅基六方相GaN薄膜及其性质研究

作　者: 洪炜
导　师: 叶志镇
学　校: 浙江大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 六方相 外延层 性质研究 缓冲层 位错密度 浙江大学 硕士学位论文 蓝宝石衬底 生长工艺 外延生长
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


宽禁带半导体GaN及其合金材料在短波长发光器件、短波长激光器以及高温、大功率、高频电子器件等方面有着广泛的应用前景。由于GaN体单晶材料难以制备，因此获得高质量的单晶薄膜材料是研究开发GaN基器件的基本前提条件。蓝宝石是GaN异质外延最常用的衬底，而GaN基器件也通常制作在蓝宝石上。然而，蓝宝石具有绝缘、导热性差、缺陷多、硬度高以及价格贵等特点，这不仅导致器件工艺复杂，而且限制了大功率器件的发展。而硅作为衬底则可以弥补这些不足。因此，开展Si基上的GaN薄膜材料的外延生长具有极其重大的应用意义。本论文在系统总结了国内外GaN基材料制备与器件工艺的研究历史、现状以及存在问题的基础上，利用自行设计并委托加工的MOCVD设备，对硅衬底上GaN的外延生长和特性进行了研究，通过多种测试手段和理论分析，取得了一些阶段性成果：1．对GaN与Si（111）的外延关系和硅基GaN生长模型进行了研究。理论和实验证明在Si（111）衬底上可以生长出C轴取向的GaN单晶薄膜；硅基异质外延GaN的生长模型可分为两种方式：无缓冲层时，GaN呈三维核生长模式，薄膜为多晶取向；有缓冲层时，GaN由初期的三维生长转变为二维层状生长，薄膜为C轴取向。2．采用高温AlN（HT-AlN）缓冲层技术，成功在Si（111）衬底上生长出高质量的GaN薄膜，其（0002）峰的X射线回摆曲线半高宽为560arcsec。研究了AlN缓冲层对GaN晶体质量的影响，认为延长AlN的生长时间，AlN生长模式的改变会导致AlN上表面出现锯齿状岛，这降低了后续外延的GaN晶体质量，但这种形貌却有利于缓解GaN层中产生的张应力，对生长无裂纹的GaN薄膜有好处。3．优化高质量GaN外延层的生长工艺，研究了顶气流中的载气和镓源流速对GaN生长的影响，发现载气中N2与H2流速比为1：1、载气总流速适当、镓源采用小流速，所生长的GaN晶体质量最好。4．采用HRXRD和SEM对GaN外延层中产生的缺陷进行分析。所生长的GaN外延层线位错密度为109cm-2，为不采用ELOG技术，硅基GaN线位错密度较低的结果之一。研究了GaN薄膜表面出现的六角状腐蚀坑，认为腐蚀坑起源有二：GaN岛间合并不完全以及GaN表面的纳米微管。5．采用PL、Raman和Hall对GaN薄膜的光学性质、应力状态和电学特性作了研究。分析测试结果表明：在高温下的Si扩散可能是引起GaN PL谱出现黄光峰的原因；根据拉曼位移计算了GaN薄膜中的张应力，这是GaN薄膜个别区域出现裂纹的直接原因，未掺杂的GaN薄膜拉曼谱中A1（LO）模式的出现与否也可定性表征GaN薄膜的晶体质量；硅基本征GaN n型本底载流子浓度可以降到1016cm-3，但室温电子迁移率比较低，说明硅基GaN中杂质散射作用严重。此外，还生长了Al含量为6％AlxGa1-xN三元合金薄膜。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
第一章 前言  11-13
第二章 文献综述  13-36
  2.1 GaN的基本性质  13-16
  2.2 GaN材料生长技术  16-22
    2.2.1 金属有机物化学汽相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)  17-19
    2.2.2 分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)  19-20
    2.2.3 卤化物汽相外延(Hybride Vapor Phase Epitaxy)  20
    2.2.4 横向外延过生长(Epitaxial Lateral Overgrowth)  20-22
  2.3 GaN材料掺杂  22-23
    2.3.1 GaN的n型掺杂  22-23
    2.3.2 GaN的p型掺杂  23
  2.4 GaN基器件应用  23-27
    2.4.1 光电子器件应用  24-26
    2.4.2 微电子器件应用  26-27
  2.5 硅基GaN材料发展及应用前景  27-30
    2.5.1 硅基GaN生长的关键问题  28
    2.5.2 工艺的改进  28-29
    2.5.3 硅衬底GaN基LED研究进展  29-30
  2.6 立题思路及主要研究工作  30-31
  参考文献  31-36
第三章 氮化镓MOCVD生长系统  36-44
  3.1 MOCVD材料生长机理  36
  3.2 自制MOCVD设备  36-39
  3.3 MOCVD设备的优化设计  39-40
  3.4 实验前的准备步骤  40-43
    3.4.1 衬底的清洗  40-41
    3.4.2 有机源的选择  41-42
    3.4.3 管路和腔体的冲洗  42-43
  3.5 材料的表征  43
  参考文献  43-44
第四章 硅基GaN薄膜生长研究  44-63
  4.1 引言  44
  4.2 GaN外延生长工艺  44-46
    4.2.1 两步外延生长工艺  45
    4.2.2 实验步骤  45-46
  4.3 GaN生长机制研究  46-53
    4.3.1 GaN与Si(111)外延关系  46-48
    4.3.2 GaN生长中的形核过程  48-50
    4.3.3 GaN薄膜生长模型  50-53
  4.4 缓冲层对GaN生长的影响  53-56
  4.5 载气对GaN生长的影响  56-59
  4.6 镓源流速(Ⅴ/Ⅲ)对GaN生长的影响  59-61
  4.7 本章小结  61
  参考文献  61-63
第五章 硅基GaN薄膜性质研究  63-81
  5.1 GaN的缺陷研究  63-71
    5.1.1 GaN外延层的微裂纹  63-64
    5.1.2 GaN外延层中线位错的产生  64-65
    5.1.3 X射线衍射分析GaN外延层中的位错密度  65-68
    5.1.4 GaN表面形貌分析  68-71
  5.2 GaN的光致发光  71-73
  5.3 GaN的拉曼光谱  73-75
  5.4 GaN的电学性质  75-76
  5.5 Al_xGa_(1-x)N三元合金  76-78
  5.6 本章小结  78
  参考文献  78-81
第六章 结论  81-82
第七章 对今后工作的一些思考  82-83
致谢  83-84
硕士在读期间发表文章  84

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工业通用技术与设备 > 薄膜技术
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