N面GaN材料的生長特性研究及優(yōu)化.pdf

1、近年來，N面GaN材料由于在高頻和光電器件、氫氣探測器、以及太陽能電池等領域具有特殊優(yōu)勢而受到關注，但是高質量 N面GaN外延薄膜制備的困難限制了它的發(fā)展和應用。為了改善N面材料的特性，本文對其進行了研究，并使用了變Ⅴ-Ⅲ比的兩步成核生長法和兩種不同的插入層來優(yōu)化GaN材料的表面特性和結晶特性。本文的主要成果如下：
　　首先，對N面GaN異質外延的AlN成核層進行了研究。通過對比Ga面和N面GaN的成核層發(fā)現(xiàn)，N面的成核層使用的Ⅴ

2、-Ⅲ比過高而使最終形成的表面不利于尺寸適中、密度適中、取向均勻的GaN成核島的形成，導致N面GaN外延薄膜的質量比Ga面差。
　　進而本文提出了先高Ⅴ-Ⅲ比，后低Ⅴ-Ⅲ比的兩步成核生長方法，先使用高Ⅴ-Ⅲ比以保證AlN成核層的N極性，再使用低Ⅴ-Ⅲ比來改善成核層最終形成的表面形貌，使之有利于之后GaN的生長。我們對低Ⅴ-Ⅲ比AlN層的厚度進行了優(yōu)化和分析，當?shù)廷?Ⅲ比層厚度在45nm左右時，GaN外延層的表面特性特性達到最優(yōu)，表面

3、粗糙度有效降低，起伏下降到優(yōu)化前的一半，說明此時AlN提供的成核表面最有利于GaN的均勻成核。同時，由于成核層生長中Ⅴ-Ⅲ比的降低，N空位增多，增強了成核層對從襯底向上擴散的O的吸收作用，使進入GaN外延層的O雜質濃度降低，背景載流子濃度降低至原來的一半。
　　隨后，本文對N面GaN外延層生長過程中各種特性的變化進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)在生長中隨著外延層厚度的增加，位錯不斷發(fā)生湮滅，由熱失配和晶格失配造成的壓應力逐漸降低。同時外延層的

4、C含量也隨著厚度的增長發(fā)生了變化，文中也進行了分析。
　　利用插入層來優(yōu)化材料特性的方式簡單有效、成本較低，本文進行了重點研究。本文中提出了超低溫GaN插入層的優(yōu)化方法，它通過加入 N面所缺失的三維島狀生長模式來改善材料特性。實驗發(fā)現(xiàn)，當超低溫插入層位于成核層與外延層之間時，對GaN外延層表面形貌和結晶質量的優(yōu)化最為有效。該插入層不僅可以通過增加三維島狀生長而使位錯湮滅，還在后續(xù)的GaN外延中引入了層錯，進一步阻攔位錯的延伸。同時