基于磁控濺射AlN上的GaN材料MOCVD外延生長研究.pdf

1、近幾年來，Si基GaN的研究受到了人們的廣泛關(guān)注。Si襯底不僅同時具備良好的熱導率與低廉的成本，而且還能與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，最為人們所看好。雖然成核層技術(shù)的出現(xiàn)使得一些與GaN晶格失配較大的襯底上能夠獲得高結(jié)晶質(zhì)量且具有表面形貌的材料，但采用MOCVD生長的成核層還是對襯底具有一定的依賴性，導致在一些晶格失配更大（Si<100>）或者同時具有較大晶格失配和熱失配(Si<111>)的襯底上難以獲取高質(zhì)量的GaN材料，限制了GaN應用領(lǐng)

2、域的進一步擴展。而磁控濺射是一種對襯底依賴性很弱的一種薄膜技術(shù)，如果能在磁控濺射的AlN上外延生長出具有低缺陷密度并具有良好表面形貌的GaN材料，理論上就可以在任何一種耐高溫材料上濺射的AlN上外延出GaN材料。而在本文之前，很少有關(guān)于在磁控濺射基礎上通過MOCVD進行再生長的研究。因此本文主要研究目的是對濺射于藍寶石襯底的AlN上生長GaN進行探索研究。本文的主要工作和結(jié)果如下：
　　(1)為了去除磁控濺射AlN界面處的O雜質(zhì)，

3、我們采用了MOCVD原位去除雜質(zhì)的方法。通過比較不同的氮化時間和氨氣流量，我們發(fā)現(xiàn)去除O雜質(zhì)需要經(jīng)過一個較長時間的氮化過程，而且氨氣流量必須在一個很高的水平以保證化學反應向還原方向進行。氮化時間過短或者氨氣流量不足都會導致氮化不充分，使AlN界面處存在大量的氧化鋁，而由于材料生長的各向異性，在此基礎上生長出來的GaN材料結(jié)晶質(zhì)量和電學特性都較差。高氮化溫度能夠取得很好的氮化效果，而且能夠通過對位錯的優(yōu)先刻蝕使得材料的結(jié)晶質(zhì)量逐步提高，但

4、由于高溫對材料表面的損傷會使界面處吸附較多的O雜質(zhì)，從而惡化電學特性。
　　(2)為了獲得高結(jié)晶質(zhì)量與表面形貌的GaN材料，我們采用了不同的GaN層結(jié)構(gòu)進行研究。通過在外延時先生長一層低Ⅴ-ⅢGaN以促進橫向生長，使得材料的螺位錯密度由2.81×108cm-2下降到了2.30×107 cm-2，下降了超過一個數(shù)量級；而增加GaN層厚度時，刃位錯密度由2.81×108 cm-2下降到了6.11×107cm-2，刃位錯密度由6.16×

5、108 cm-2下降到了2.93×108 cm-2，并且表面的均方根粗糙度（RMS）達到了0.149nm。另外通過測量拉曼光譜，我們發(fā)現(xiàn)在增加GaN厚度時，材料所受的壓應力狀態(tài)并沒有改變，已經(jīng)進入了一個穩(wěn)態(tài)。
　　(3)為了獲得高阻的GaN材料，我們在磁控濺射AlN與GaN之間加入了一層MOCVD外延的AlN，以緩和兩種不同材料和生長方式所造成的突變。通過調(diào)節(jié)生長AlN時的Ⅴ-Ⅲ比，我們獲得了高阻的GaN材料，其阻值達到了105Ω

6、/□,而且使材料的結(jié)晶質(zhì)量進一步提高。
　　(4)為了研究AlN的生長模式，我們通過設計了變AlN厚度的實驗。通過XRD、AFM等表征手段，我們發(fā)現(xiàn)外延AlN的生長并沒有經(jīng)過傳統(tǒng)先成核再合并生長的過程，而是直接進行二維共格生長。
　　綜上所述，本文通過對基于磁控濺射AlN的GaN材料生長工藝進行研究，得到了具有高結(jié)晶質(zhì)量和良好表面形貌的高阻GaN材料，螺位錯密度最低為1.01×107cm-2，刃位錯密度最低位2.93×108