氫化物氣相外延生長GaN厚膜的計(jì)算優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、GaN是寬禁帶半導(dǎo)體,有著十分廣泛的應(yīng)用。但由于大尺寸的GaN體單晶材料很難制備,所以GaN基器件主要是通過異質(zhì)外延方法制作。近年來由于氫化物氣相外延(HVPE)方法的生長速度快,可以生長均勻、大尺寸GaN厚膜,逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算在改進(jìn)生長系統(tǒng),優(yōu)化生長工藝方面有很大的優(yōu)勢,其與長晶實(shí)驗(yàn)互相配合,有望尋求生長高質(zhì)量GaN的優(yōu)化工藝。
　　本文運(yùn)用基于有限元法的HEpiGaNS軟件,先是研究了氣體進(jìn)氣口到襯底之間的距離

2、、GaCl載氣流量和主載氣N2流量對(duì)晶體生長的影響規(guī)律,主要通過分析反應(yīng)氣體GaCl和NH3在襯底附近的二維濃度分布圖像、一維影像,不同條件下GaN的生長速率、反應(yīng)室內(nèi)的流場和襯底附近的Ⅴ/Ⅲ比等來實(shí)現(xiàn)。然后研究了GaN生長過程中的應(yīng)力和位錯(cuò)變化,主要通過分析不同生長階段的各種應(yīng)力的變化和不同襯底高度下位錯(cuò)數(shù)值的改變來實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)值計(jì)算得到利于高質(zhì)量GaN厚膜生長工藝參數(shù)。最后長晶實(shí)驗(yàn)采用這些參數(shù)制備 HVPE-GaN,并對(duì)生長出的外延

3、膜通過一系列的表征手段如XRD、SEM、EDS、拉曼、PL等進(jìn)行了其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的分析。研究表明,豎直式HVPE系統(tǒng)中,氣體進(jìn)氣口和襯底之間距離對(duì)GaN晶體的生長有很大的影響,距離過大使得GaN生長速率過小,距離過小使得GaN生長速率變大但是生長極不均勻,說明存在一個(gè)優(yōu)化的距離使得GaN的沉積性最好;研究發(fā)現(xiàn),這個(gè)優(yōu)化距離為80mm左右。GaCl載氣流量的大小可以影響到反應(yīng)氣體GaCl和NH3在襯底附近的濃度分布,反應(yīng)氣體的濃度隨GaCl

4、載氣流量減小而減小,其分布的均勻度卻越來越好,但是載氣流量減小到一定程度會(huì)使沉積均勻性變差;研究發(fā)現(xiàn),GaCl載氣流量為1200~1400sccm時(shí),GaN的沉積性比較好。N2作為反應(yīng)中的主載氣,氣流的大小直接影響到反應(yīng)氣體在襯底附近的濃度分布,氣流的不穩(wěn)定可能造成反應(yīng)室內(nèi)出現(xiàn)渦流現(xiàn)象;研究發(fā)現(xiàn),利于GaN晶體生長的主載氣N2流量在2800sccm左右。在HVPE生長系統(tǒng)中,晶體生長的邊緣最容易出現(xiàn)最大熱應(yīng)力。隨著襯底高度的不斷增加,晶