L-MBE法制備GaN薄膜的外延生長研究.pdf

1、GaN寬禁帶半導體材料以其自身一系列的優(yōu)良特性，在高溫、高速、高頻、高功率、輻射、藍紫發(fā)光及探測等領域有廣泛的發(fā)展。鈮酸鋰(LiNbO3)單晶是一種優(yōu)良的鐵電、壓電及熱釋電晶體，廣泛應用于聲表面波、非揮發(fā)存儲、光調(diào)制器與光開關等領域。將兩類材料集成，實現(xiàn)GaN/LiNbO3集成薄膜，有利于多功能化、小型化器件的發(fā)展。但是，兩類材料的物理、化學性質(zhì)差異，導致實現(xiàn)相容性生長存在巨大難題；同時，由于異質(zhì)外延過程的復雜性、實驗條件及理論研究的限

2、制，與之相關的一些物理現(xiàn)象與內(nèi)在機制還未深入研究，尤其是GaN薄膜的異質(zhì)外延生長機制以及GaN微結(jié)構(gòu)控制等方面研究不足。
　　藍寶石具有與GaN相似的六方結(jié)構(gòu)，成為目前工業(yè)上常用的襯底，對其異質(zhì)外延生長研究具有重要的工業(yè)價值及科學意義。本論文采用激光分子束外延(L-MBE)設備，首先在藍寶石襯底上進行了GaN薄膜的生長研究，詳細分析了大失配體系下GaN薄膜的異質(zhì)外延生長機制，優(yōu)化了工藝參數(shù)；其次進行了GaN/LiNbO3集成研究，

3、在優(yōu)化的工藝參數(shù)下制備了高質(zhì)量GaN薄膜，解決了兩種材料生長工藝不相容的問題，并對不同失配體系下的GaN薄膜的生長機理及微結(jié)構(gòu)控制進行了深入研究。
　?。?）研究了生長溫度、激光能量及激光頻率對GaN/藍寶石集成的影響，得到優(yōu)化工藝條件：基片溫度700℃，激光頻率2Hz，激光能量180mJ。GaN薄膜厚度超過60nm后保持層狀穩(wěn)定生長，表面平整并形成六方規(guī)則形狀晶粒，具有良好的面外結(jié)晶質(zhì)量及面內(nèi)對稱性，與藍寶石襯底之間以30旋轉(zhuǎn)關

4、系外延，其外延關系為GaN(0002)[1120]//藍寶石(0001)[1010]，晶格失配為14.6％。
　?。?）發(fā)現(xiàn)通過嚴格控制生長條件，GaN薄膜可直接在大失配體系下實現(xiàn)高質(zhì)量平整的外延生長。采用兩步生長優(yōu)化工藝：550℃GaN(50nm)/700℃GaN(60nm)/藍寶石，即當GaN薄膜轉(zhuǎn)化為二維層狀模式穩(wěn)定生長時，降低薄膜的生長溫度。此工藝有效提高了GaN薄膜的結(jié)晶質(zhì)量及表面平整度，面外半高寬下降到0.435，薄膜

5、具有更好的六方面內(nèi)對稱性，此方法不同于AlN及GaN低溫緩沖層技術。（3）在1000℃高溫下LiNbO3單晶盒子中退火4小時后，LiNbO3單晶襯底表面形成臺階流并達到原子級平整尺度。退火襯底上生長的GaN薄膜具有更好的結(jié)晶質(zhì)量，抑制了在GaN/LiNbO3集成中LiNb3O8相的形成，改善了Li元素較易揮發(fā)的問題。
　?。?）650℃下GaN/LiNbO3集成時，GaN薄膜以層狀模式生長，表面平整(RMS=0.97nm)，面外半

6、高寬僅為0.499，具有良好的六方面內(nèi)對稱性并與LiNbO3單晶襯底以30旋轉(zhuǎn)關系外延，其外延關系為GaN(0002)[1120]//LiNbO3(0006)[1010]，晶格失配6.8%。此溫度下薄膜存在最少量的非摻雜N空位缺陷及本征缺陷，具有良好的光學性能。
　　（5）通過界面能量轉(zhuǎn)換、島遷移及生長溫度對薄膜缺陷的影響等理論，研究了GaN/藍寶石、GaN/LiNbO3集成的異質(zhì)外延生長及微結(jié)構(gòu)控制。研究發(fā)現(xiàn)：大晶格失配及界面應

7、力能轉(zhuǎn)化為表面自由能驅(qū)動GaN薄膜以3D模式開始生長；GaN薄膜在生長過程中存在由3D生長模式轉(zhuǎn)化為2D的過程，生長模式的轉(zhuǎn)變不是由晶格失配產(chǎn)生的應力所導致的；島的遷移與合并，島邊勢壘的降低使薄膜表面產(chǎn)生足夠的擴散，是生長模式從3D向2D轉(zhuǎn)變的必要條件；在低溫下GaN薄膜將以3D模式生長，表面粗糙，結(jié)晶質(zhì)量下降；隨溫度的降低晶體內(nèi)存在的非摻雜N空位缺陷及晶界位錯等本征缺陷密度明顯增加，使GaN禁帶中產(chǎn)生淺能級施主與深能級的非本征復合，影