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衬底预处理对外延生长GaN薄膜性能的影响

作　者: 王敏
导　师: 刘彩池
学　校: 河北工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: GaN MBE 蓝宝石衬底 AlGaN/GaN 二维电子气
分类号: TN304.054
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文在经过预处理的蓝宝石、硅等衬底上,采用射频辅助等离子源分子束外延生长系统(RF-MBE)外延生长了GaN薄膜及AlGaN/GaN 二维电子气材料,并对其进行了表征。本文通过对蓝宝石衬底的预处理发现,采用熔融KOH,290℃下腐蚀15 min、25 min时均可得到较好的腐蚀图像,腐蚀时间为15 min,不同腐蚀温度下腐蚀坑的密度会出现一个峰值;腐蚀过程中会出现腐蚀坑形貌从三角形向多角形的转变,并对其成因机理进行了分析,通过进一步观察分析,发现腐蚀坑的变化发展有联体、兼并、扩展等三种方式。在低温条件下利用ZnO作为缓冲层在蓝宝石、硅等衬底上外延了GaN薄膜,经过盐酸处理后,PL分析发现其具有较好的发光性能;采用蓝宝石为衬底,利用RF-MBE法在正常条件下外延GaN薄膜发现,富镓富氮匹配条件下所得到的GaN材料无论在晶体质量、表面形貌、光学属性、电学性能等方面均要优于在富氮条件下的GaN材料;富镓条件下,针对生长时间为20 min,30 min两种不同缓冲层厚度的GaN薄膜研究发现,缓冲层适当增厚可以获得更好的晶体质量,且GaN薄膜材料的表面平整度及粗糙度、外延层中的应力状况、电学性能等都会得到改善。本文对AlGaN/GaN二维电子气材料及成因机理进行了初步研究,所得到的二维电子气材料具有良好的晶体质量、光学性能等,室温下的最高电子迁移率为800 cm2/(V·s),二维电子气的面密度理论计算为1.14×1013 cm-2接近实验测量值,计算得到的自发极化强度数值为-0.04444 C/m2,压电极化强度数值为-0.0078 C/m2。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-24
  1.1 引言  10-11
  1.2 GaN 材料的基本性质  11-14
    1.2.1 GaN 的相态与结构  11-13
    1.2.2 GaN 材料的化学性质  13
    1.2.3 GaN 材料的电学性质  13-14
    1.2.4 GaN 材料的光学性质  14
  1.3 GaN 材料的制备工艺及发展  14-18
    1.3.1 卤化物气相外延(HVPE)技术  15
    1.3.2 金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术  15
    1.3.3 原子束外延(ALE)技术  15-16
    1.3.4 分子束外延(MBE)技术  16
    1.3.5 GaN 基材料生长面临的问题及研究进展  16-18
  1.4 制备GaN 材料的衬底  18-19
    1.4.1 蓝宝石衬底  18
    1.4.2 ZnO 衬底  18
    1.4.3 Si 衬底  18-19
    1.4.4 AlN 衬底  19
    1.4.5 GaN 衬底  19
    1.4.6 SiC 衬底  19
    1.4.7 其它衬底  19
  1.5 GaN 薄膜的生长机理及影响因素  19-21
  1.6 GaN 中的缺陷和杂质  21
  1.7 GaN 材料的应用  21-23
    1.7.1 GaN 基发光器件  21-22
    1.7.2 GaN 基探测器  22
    1.7.3 GaN 基微电子器件  22-23
  1.8 本文主要研究工作  23-24
第二章实验设备及测试技术  24-31
  2.1 引言  24
  2.2 分子束外延（MBE）概述  24-27
    2.2.1 MBE 的发展  24-25
    2.2.2 MBE 外延生长的原理  25
    2.2.3 MBE 生长系统  25-27
    2.2.4 MBE 外延生长的过程  27
  2.3 材料表征技术  27-31
    2.3.1 X 射线衍射(XRD)  27-28
    2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)  28
    2.3.3 原子力显微镜(AFM)  28
    2.3.4 拉曼散射光谱仪(Raman)  28-29
    2.3.5 光致发光光谱(PL)  29
    2.3.6 霍尔效应测试仪  29
    2.3.7 傅里叶红外光谱仪(FTIR)  29-31
第三章衬底材料的预处理  31-43
  3.1 引言  31
  3.2 蓝宝石衬底的腐蚀处理  31-40
    3.2.1 蓝宝石的性质  31-32
    3.2.2 蓝宝石衬底预处理腐蚀剂的选择  32-33
    3.2.3 蓝宝石腐蚀温度及腐蚀时间的确定  33
    3.2.4 蓝宝石衬底的预处理腐蚀工艺研究  33-40
  3.3 衬底材料的缓冲层处理  40-41
    3.3.1 蓝宝石衬底上ZnO 缓冲层的处理  40
    3.3.2 Si 衬底上ZnO 缓冲层的处理  40-41
    3.3.3 蓝宝石上AlN 缓冲层的生长  41
  3.4 小结  41-43
第四章 GaN 材料的外延生长及性能研究  43-64
  4.1 引言  43-44
  4.2 低温GaN 薄膜的生长  44-49
    4.2.1 低温GaN 薄膜生长方案  44
    4.2.2 实验结果与分析  44-49
  4.3 富氮条件下GaN 材料的外延生长  49-55
    4.3.1 实验方案  51
    4.3.2 结果与分析  51-55
  4.4 富镓富氮匹配条件下GaN 材料的外延生长  55-59
    4.4.1 实验方案  55-56
    4.4.2 结果与分析  56-59
  4.5 缓冲层生长厚度对GaN 外延生长的影响  59-63
    4.5.1 富镓条件下GaN 材料的外延生长  59-60
    4.5.2 缓冲层对外延层性能的影响  60-63
  4.6 小结  63-64
第五章 GaN 材料二维电子气 AlGaN 的生长及性能研究  64-71
  5.1 引言  64
  5.2 GaN 材料二维电子气AlGaN 的生长  64-70
    5.2.1 实验方案  64-65
    5.2.2 结果与分析  65-70
  5.3 小结  70-71
第六章结论  71-72
参考文献  72-78
攻读学位期间所取得的相关科研成果  78-79
致谢  79

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