硅襯底氮化鎵生長的研究.pdf

1、自20世紀90年代初GaN基LED研制成功以來，隨著技術(shù)的發(fā)展，氮化鎵基LED的性能取得了很多突破性進展，日亞公司于1995年宣布藍光GaN基LED實現(xiàn)商業(yè)化，并奠定了全球領(lǐng)先地位，使新一代的固體照明取代傳統(tǒng)的照明也成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。目前，市場上的GaN基LED所用的襯底主要有藍寶石、碳化硅以及硅襯底。由于藍寶石襯底在技術(shù)上的成熟，廣泛應用于生長GaN材料。硅材料由于其成本低廉，大尺寸等性質(zhì)，已經(jīng)越來越受到業(yè)界的重視。近年來，國內(nèi)外多

2、次報道了在硅襯底上成功生長出GaN材料與器件的成果。要在Si襯底上研制出高性能的GaN器件，首先要在Si襯底上生長出高質(zhì)量的GaN材料。但是，由于硅襯底的晶格參數(shù)和熱膨脹系數(shù)與GaN材料有很大的差別，所以硅襯底上生長的氮化鎵往往都會出現(xiàn)位錯密度高、發(fā)生龜裂等情況。近年來，眾多研究者對Si襯底上生長GaN進行了研究，取得了一些進展。但如何在Si襯底上實現(xiàn)較高質(zhì)量、無裂紋的GaN生長仍然是研究的難點，還有大量問題需要解決，特別是Si襯底上G

3、aN的生長機制以及如何降低晶格失配和應力的影響。
　　 本文采用Thomas Swan MOCVD對Si襯底生長氮化鎵材料進行了研究。采用光致發(fā)光光譜儀、X射線衍射儀、原子力顯微鏡、霍爾測量儀、光學顯微鏡等測試儀器對Si襯底生長的GaN光學性能、結(jié)晶性能、表面形貌等性能進行了系統(tǒng)研究。通過優(yōu)化Al的預沉積、Si襯底表面圖形的設計等生長出了2.0微米厚的較高質(zhì)量、無裂紋的GaN薄膜。此外，對藍寶石襯底生長的GaN表面粗糙度對LED

4、性能的影響進行了研究。獲得了如下有創(chuàng)新和有意義的研究結(jié)果：
　　 1、系統(tǒng)研究了Al的預沉積對AlN緩沖層及GaN外延層生長的影響，研究表明，與沒有經(jīng)過鋁預處理的樣品相比，36秒鋁預處理的樣品能夠改善AlN緩沖層的晶體質(zhì)量以及表面粗糙度，然而，當鋁預處理時間延長到56秒時AlN緩沖層的晶體質(zhì)量出現(xiàn)下降，同時邊緣表面也出現(xiàn)了金屬花紋。另外，沒有經(jīng)過鋁預處理的GaN樣品，其表面布滿裂紋，出現(xiàn)金屬回熔點。經(jīng)過恰當?shù)匿X預處理以后，GaN

5、的表面已經(jīng)觀察不到明顯的裂縫了，而且金屬回熔點也沒有了，不過，過量的鋁預處理時間會直接影響緩沖層的生長，在緩沖層能觀察到由鋁形成的金屬花紋，GaN外延層布滿了裂縫，而且也出現(xiàn)金屬回熔花紋，嚴重降低GaN的晶體質(zhì)量。
　　 2、研究了Si表面圖形對GaN生長的影響，我們發(fā)現(xiàn)，沒有經(jīng)過腐蝕，表面只有二氧化硅掩模的樣品，其（002）面X射線衍射峰值半高寬比較大，裂紋在合并的地方出現(xiàn)了中斷，當刻蝕的槽深為0.1微米時，由于刻蝕深度不夠，

6、GaN很容易會生長在槽里邊，造成了裂紋的產(chǎn)生與光學性能的下降，其光致發(fā)光光譜中的黃帶峰比較高，表明有一定的深能級物質(zhì)滲透到GaN外延層，我們認為是硅在高溫下的蒸發(fā)。不過當槽深達到0.3微米時，光學性能得到了改善。另外，該樣品的晶體質(zhì)量也比較好。當槽深達到0.5微米時，雖然表面的裂紋得以減少了，但是（102）面X射線的峰值半高寬明顯增大，表明該樣品的位錯密度急劇上升，這種論斷在原子力掃描圖像中得到了進一步證實。
　　 3、研究了非