InN外延薄膜成核與重構(gòu)的機(jī)理研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物(InN,GaN和AlN)半導(dǎo)體因其非常優(yōu)異的特性而得到了廣泛的關(guān)注。在最近十幾年,InN因其具有非常高的電子遷移率和飽和漂移速率、較小的電子有效質(zhì)量和較窄的禁帶寬度等特點(diǎn),在高速電子器件和太陽(yáng)能電池等光電子領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。然而,由于InN較低的分解溫度、不穩(wěn)定的化學(xué)計(jì)量以及缺少晶格匹配的襯底,使得高質(zhì)量的InN薄膜制備非常困難。為此,本文利用MOCVD生長(zhǎng)和快速熱退火技術(shù),對(duì)InN外延薄膜的生長(zhǎng)

2、成核和重構(gòu)機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　首先,采用PMOCVD(脈沖式MOCVD)生長(zhǎng)技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上開展了InN成核層的生長(zhǎng)研究,重點(diǎn)研究得到了生長(zhǎng)溫度對(duì)InN成核島尺寸、形貌、N/In比以及晶格常數(shù)等的影響規(guī)律。研究中,考慮到GaN與InN的晶格失配小于藍(lán)寶石與InN,因此采用GaN buffer層外延InN。我們研究了生長(zhǎng)溫度對(duì)InN成核層的影響。發(fā)現(xiàn)InN在GaN buffer層上外延是3D島生長(zhǎng)模式。在生長(zhǎng)溫度為530℃時(shí),成

3、核島尺寸較大,島與島之間間隔很大,分布分散;當(dāng)溫度降到470℃時(shí),由于表面原子遷移能力的降低,成核島密度變大,尺寸減小,從而覆蓋了整個(gè)GaN表面。因此InN成核層選擇在低溫下生長(zhǎng)。在對(duì)樣品Raman測(cè)試結(jié)果分析時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著生長(zhǎng)溫度的增加,InN所受應(yīng)力逐漸降低。這主要?dú)w因于InN成核島的形貌比γ(h/b)隨著生長(zhǎng)溫度的增加而增加,殘余應(yīng)力得到進(jìn)一步釋放。在對(duì)InN的晶格常數(shù)c的研究中發(fā)現(xiàn),InN的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的晶格常數(shù)c0并不是常數(shù),而是

4、隨著生長(zhǎng)溫度的增加而增加。這主要是因?yàn)樵谏L(zhǎng)溫度較高時(shí),InN中的N/In比較高,從而導(dǎo)致晶格常數(shù)c0的增加。因此,生長(zhǎng)溫度對(duì)InN成核島的影響主要體現(xiàn)在成核島的尺寸和N/In比,而成核島尺寸又影響了InN所受應(yīng)力,最后InN的N/In比與所受應(yīng)力共同決定了InN的晶格常數(shù)c。
　　然后,采用兩步法在GaN buffer層上成功外延生長(zhǎng)出較高質(zhì)量的InN薄膜,背景電子濃度為1.04×1019cm-3,室溫電子遷移率為200cm2/

5、V·s。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),InN薄膜材料表面呈現(xiàn)馬賽克形貌,不過(guò)島與島之間已出現(xiàn)合并趨勢(shì)。與成核層相比,外延層所受應(yīng)力有所降低。在同一溫度下的成核層和外延層的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的晶格常數(shù)c0完全相同。
　　最后對(duì)InN成核層進(jìn)行了N2環(huán)境下的快速熱退火處理,研究了InN的溫度穩(wěn)定性以及退火對(duì)InN特性重構(gòu)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),InN在500℃時(shí)還保持穩(wěn)定,沒(méi)有In滴析出;在600℃時(shí),InN開始分解,表面出現(xiàn)零星的In滴;在700℃時(shí),InN