非極性GaN外延薄膜的低位錯(cuò)生長方法研究.pdf

1、目前,GaN材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子器件和發(fā)光器件,比如高電子遷移率晶體管和發(fā)光二極管。通常大多數(shù)的GaN基器件用到的是沿著極性[0001]方向生長的GaN材料。極性GaN材料由于其特殊的原子排列結(jié)構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)生平行于生長方向的極化電場(chǎng),這對(duì)于形成高電子遷移率晶體管中的二維電子氣十分有利。然而,極化電場(chǎng)同樣會(huì)導(dǎo)致量子阱內(nèi)電子和空穴波函數(shù)的分離,從而導(dǎo)致發(fā)光產(chǎn)生紅移,同時(shí)發(fā)光二極管中載流子復(fù)合效率也受到抑制,這種現(xiàn)象稱為量子限制斯塔克效應(yīng)。因此

2、人們嘗試通過各種手段降低極化電場(chǎng)改善發(fā)光器件性能。其中非極性材料由于其內(nèi)建電場(chǎng)位于 GaN材料面內(nèi)垂直于生長軸方向,因此得到了廣泛的關(guān)注。然而和 c面極性 GaN不同的是,非極性材料由于其非常強(qiáng)的各向異性導(dǎo)致材料的位錯(cuò)和層錯(cuò)密度很大。想得到高質(zhì)量且表面光滑的非極性材料十分不容易,這也嚴(yán)重制約了非極性材料的廣泛應(yīng)用。因此,本文將研究的重點(diǎn)放在了減少非極性材料的位錯(cuò)和層錯(cuò)密度提高結(jié)晶質(zhì)量上來。主要的工作和結(jié)論如下:
　　1.采用濃度為

3、97％的H3PO4對(duì)非極性GaN材料腐蝕特性進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)不同溫度和腐蝕時(shí)間下非極性GaN材料的腐蝕速率不同。當(dāng)溫度過低時(shí)腐蝕很難進(jìn)行,溫度越高腐蝕越快。同時(shí)對(duì)腐蝕材料的表面形貌進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)腐蝕呈現(xiàn)各向異性,并且腐蝕具有選擇性。樣品沿著-c軸方向的腐蝕速率比較快而+c方向腐蝕很難進(jìn)行,這是由于沿著-c方向樣品存在著容易腐蝕的N面GaN。同時(shí)對(duì)酸溶液腐蝕的機(jī)理進(jìn)行了分析說明。
　　2.利用前面非極性材料腐蝕出的溝道,我們?cè)诟g

4、后的樣品上進(jìn)行非極性 a面 GaN材料的再生長研究。發(fā)現(xiàn)腐蝕后再生長的GaN樣品和沒有腐蝕直接再生長的樣品相比較,材料的位錯(cuò)密度有了明顯的降低,結(jié)晶質(zhì)量得到明顯的提升。因此濕法腐蝕再生長提供了一種簡便有效的改善非極性GaN材料結(jié)晶質(zhì)量的手段。
　　3.通過PECVD在GaN底板上淀積SiNx,并對(duì)淀積后的材料進(jìn)行二次生長。我們發(fā)現(xiàn)和沒有插入層的材料相比,插入了SiNx的材料的位錯(cuò)和層錯(cuò)密度均有非常大的降低,材料的結(jié)晶質(zhì)量有了很大的

5、提升。同時(shí)我們也通過透射電子顯微鏡研究了插入層對(duì)于位錯(cuò)和層錯(cuò)密度的影響。在試驗(yàn)中我們也對(duì)插入層的淀積時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。除此之外,我們將本次試驗(yàn)和原位淀積SiNx插入層的再生長實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)非原位插入層樣品的Si摻雜濃度和原位相比有了很大的降低,這對(duì)于電子器件所需的半絕緣襯底非常有利。同時(shí)和原位試驗(yàn)得到的最優(yōu)化材料相比,本次試驗(yàn)得到的樣品結(jié)晶質(zhì)量更好一些。這也說明了相比于原位淀積的插入層,非原位插入層更加有效率。因此,本方法也是一種簡