GaN材料位錯按深度分布的表征及位錯與點缺陷關(guān)系的研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料(GaN，AlN，InN)及其電子和光電器件已成為半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點之一。GaN具有高熔點(2300℃)、低分解點(約900℃)的特點，目前其材料制備的主流工藝為異質(zhì)外延技術(shù)。與襯底之間的晶格失配和熱失配使得異質(zhì)外延的GaN薄膜通常具有較高的位錯密度(108～1010cm-2)，極大地限制了GaN基器件的性能和可靠性。常用的位錯表征方法如蝕坑法、綴飾法、電鏡法等對被測材料具有破壞性。X射線衍射(XRD)法能夠?qū)a

2、N材料作無損檢測，但常規(guī)測試不能獲得位錯類型及其密度在薄膜深度上的分布，而該分布信息對GaN材料的生長動力學(xué)、缺陷形成機理和抑制方法以及GaN器件的性能和可靠性分析等研究具有重要意義。在XRD研究位錯沿GaN單晶材料深度方向的分布方面，目前的研究只能得到螺位錯、刃位錯和混合位錯導(dǎo)致的傾轉(zhuǎn)(Tilt)和扭轉(zhuǎn)(Twist)的綜合量，而無法將這幾種效應(yīng)區(qū)分開。在此背景下，本文對GaN材料中的位錯密度按深度分布的表征測量方法展開研究，并以GaN

3、光致發(fā)光譜中的黃帶現(xiàn)象為紐帶對刃位錯與點缺陷之間的關(guān)系進行研究，主要的研究工作及成果如下：
　　 1.給出了將GaN材料沿深度方向分為多個薄層，以XRD搖擺曲線(XRC)自頂向下逐個薄層測量GaN材料位錯按深度分布的完整原理模型，以及實驗測試的具體實施方案和數(shù)據(jù)處理方法。
　　 2.根據(jù)鑲嵌結(jié)構(gòu)GaN材料的傾轉(zhuǎn)(Tilt)和扭轉(zhuǎn)(Twist)與螺位錯和刃位錯的聯(lián)系，提出了實現(xiàn)不同類型位錯按深度分布的測量對晶面的選擇原則，

4、實現(xiàn)了螺位錯和刃位錯各自在深度分布上的測量，突破了常規(guī)按深度分布測量不能很好的區(qū)分出Tilt和Twist的局限，得到按深度分布表征螺位錯和刃位錯效果最好的原子面分別為(103)面和(101)面，并將該測量方法在其他材料結(jié)構(gòu)中進行了一般化推廣。根據(jù)測得XRC的FWHM值同測量原子面傾角的相關(guān)性，通過擬合方法得到GaN材料(101)面的刃位錯系數(shù)為1.0961。
　　 3.基于上述方法研究了具有AlN體插入層的藍寶石襯底GaN外延材

5、料中的位錯運動特性，發(fā)現(xiàn)不管是螺位錯還是刃位錯，其在成核層附近具有最高的密度，并且在成核層上方約150nm(該厚度與襯底和成核條件等有關(guān))范圍內(nèi)出現(xiàn)一次集中的湮滅導(dǎo)致位錯密度劇烈的下降。AlN體插入層雖然在短程范圍內(nèi)會引入更多的刃型位錯，但整體上講其能有效促進刃位錯的湮滅，并在一定程度上也能促使螺位錯的湮滅。
　　 4.提出了以XRD2θ-ω掃描研究GaN薄膜材料的應(yīng)變按深度分布的原理模型和數(shù)據(jù)處理方法。對具有AlN體插入層的藍

6、寶石襯底GaN外延材料的應(yīng)變按深度分布的研究發(fā)現(xiàn)GaN材料所受應(yīng)力類型為壓應(yīng)力，應(yīng)變隨深度的變化趨勢同位錯變化趨勢有較強的相關(guān)性，提出了位錯的產(chǎn)生或湮滅在一定程度上會導(dǎo)致晶格常數(shù)變化的觀點。最后通過Raman散射實驗證實了我們的分析。
　　 5.通過第一性原理計算分析MOCVD生長環(huán)境下生長的GaN材料中本征點缺陷的存在情況，表明不論是富N或準(zhǔn)富N生長條件下生長的GaN薄膜體材料，只要其為n型電導(dǎo)，則與本征點缺陷相關(guān)的缺陷中Ga