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GaN异质外延初始生长条件的优化及其实时监控

作　者: 周智猛
导　师: 顾彪
学　校: 大连理工大学
专　业: 微电子与固体电子
关键词: GaN 电子回旋共振等离子体生长工艺实时监控系统
分类号: TN304.054
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

GaN，作为第三代半导体材料，因为其优良的特性，日益成为研究的重点，在微电子和光电子领域具有十分广阔的应用优势和发展前景。本论文隶属于国家自然科学基金(自组装GaN量子点结构的ECR-PEMOCVD生长及特性(69976008))这个课题。根据自组装量子点的生长原理，在生长GaN的量子点之前，我们需要生长一层晶质良好AlN外延层。但由于受我们实验装置加热炉温度的限制，以及我们在GaN生长方面积累了丰富经验，我们决定在生长AlN外延层之前先生长一层GaN外延层作为过渡。我们认为由于GaN与AlN之间晶格失配小，因此在GaN外延层层上容易生长出来的晶质良好AlN。本论文一方面的主要工作是在薄膜生长原理的理论指导下，在实验室自行研制的半导体材料生长装置ESPD-U上，采用电子回旋共振等离子体增强(ECR-PEMOCVD)方法，通过对样品高能电子衍射、X射线衍射和原子力显微镜的测试结果的比较，在蓝宝石衬底上摸索GaN异质外延初始生长工艺(氢等离子体氢洗、氮化、缓冲层生长)的优化的生长条件。在我们课题组全体成员的努力下，通过改变氢等离子体清洗的时间和清洗温度，衬底氮化的氮化时间和氮气的流量，缓冲层生长的Ⅴ／Ⅲ比和生长温度，我们初步得到了一个优化的初始生长条件，并采用这个初始生长条件外延生长出晶质良好的GaN。本论文另一方面的重要工作是和大连理工大学电信学院合作，通过分析实验工艺流程的特点，为实验室的ESPD-U设备共同开发了一套半导体薄膜生长实时监控系统。使用表明：这套系统保证了工艺流程的连续可靠运行，提高实验的可重复性、降低实验人员的劳动强度、基本上达到了预计的设计要求。本论文工作受到国家自然科学基金(69976008)“自组装GaN量子点结构的ECR-PEMOCVD生长及特性”的支持。

全文目录

第一章绪论  7-15
  1．1 概述  7-9
    1．1．1 引言  7-8
    1．1．2 GaN材料的性质  8-9
  1．2 GaN的生长技术  9-11
    1．2．1 GaN异质外延衬底的选择  9-10
    1．2．2 材料生长方法  10-11
  1．3 GaN基器件及应用前景  11-14
  1．4 论文的选题依据及主要研究工作  14-15
第二章实验装置原理及其组成  15-22
  2．1 引言  15
  2．2 电子回旋共振金属有机物化学汽相沉积技术  15-17
    2．2．1 MOCVD（金属有机物化学汽相沉积）介绍  15-16
    2．2．2 电子回旋共振（ECR）放电的原理及其特征  16-17
  2．3 ESPD-U组成及其特征  17-20
  2．4 小结  20-22
第三章薄膜的生长机理与影响因素  22-29
  3．1 薄膜的生长机理  22-27
    3．1．1 薄膜的成核  22-25
    3．1．2 薄膜生长模式  25-27
  3．2 影响薄膜结构和成核的因素  27-28
  3．3 小结  28-29
第四章常用分析方法简介  29-35
  4．1 反射高能电子衍射  29-31
    4．1．1 RHEED原理  29-30
    4．1．2 RHEED图像分析  30-31
  4．2 原子力显微镜  31-33
  4．3 X射线衍射  33-34
    4．3．1 X光衍射原理  33
    4．3．2 X射线衍射分析  33-34
  4．4 小结  34-35
第五章六方GaN薄膜生长工艺与试验结果分析  35-48
  5．1 六方GaN薄膜生长工艺  35-46
    5．1．1 衬底的清洗  35-40
    5．1．2 氮化  40-43
    5．1．3 缓冲层的生长  43-46
  5．2 GaN异质外延生长  46-47
  5．3 小结  47-48
第六章半导体薄膜生长实时监控系统的设计与应用  48-59
  6．1 系统分析  48-50
    6．1．1 GaN生长工艺特点及参数对薄膜晶质影响  48-49
    6．1．2 系统需要实现的功能  49-50
  6．2 硬件电路设计  50-52
    6．2．1 相关实验设备接口特性分析  50
    6．2．2 系统硬件结构组成  50-52
  6．3 系统程序设计  52-56
    6．3．1 系统的组成  52-54
    6．3．2 软件的编程  54-56
  6．4 系统使用指南  56-57
  6．5 系统使用效果与评价  57-58
  6．6 结论和展望  58-59
总结  59-60
参考文献  60-62
致谢  62-63

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