脈沖激光沉積GaN薄膜研究.pdf

1、近年來，由于寬禁帶半導(dǎo)體材料在短波長發(fā)光器件、光探測器以及抗輻射、高頻和大功率電子器件方面的廣闊應(yīng)用前景而備受關(guān)注，發(fā)展十分迅速，成為近些年來持續(xù)研究的熱點。III-V族的第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)，在室溫下禁帶寬度為3.4eV，是制作光電子器件，尤其是藍、綠發(fā)光二極管(LEDs)和激光二極管(LDs)的理想材料。此類光源在高密度光信息存儲、高速激光打印、全色動態(tài)高亮度光顯示、固體照明光源、高亮度信號探測、通訊等方面有著廣闊的應(yīng)用

2、前景和巨大的市場潛力。此外，GaN也是制作高溫、高頻、大功率器件的理想材料。隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善，尤其一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破使GaN材料的研究空前活躍。 由于生長大尺寸的單晶氮化鎵是比較困難的，用異質(zhì)外延的方法來制備高質(zhì)量的氮化鎵薄膜便成了研究開發(fā)GaN基器件的基礎(chǔ)。目前，金屬有機氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)和分子束外延(MBE)等方法已經(jīng)成為制備GaN的主流工藝，但是采用這些方法制備G

3、aN，工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，限制了GaN材料的制備、生產(chǎn)和應(yīng)用。現(xiàn)在國際上有許多科研機構(gòu)正在探索新的工藝方法，試圖在合適的襯底上制備高質(zhì)量的GaN薄膜。脈沖激光沉積就是近年來發(fā)展起來的先進的薄膜生長技術(shù)，與其它沉積方法相比，該工藝具有薄膜生長溫度低、生長條件易于控制、生長速度快和成膜質(zhì)量高等優(yōu)點。 目前，藍寶石是GaN異質(zhì)外延最常用的襯底材料，但藍寶石襯底自身絕緣、硬度大、解理較為困難，且導(dǎo)熱性能差，不利于大功率器件的制取。并且其

4、價格相當昂貴。相比較而言，Si由于其晶體質(zhì)量高、價格低廉、易解理、導(dǎo)電性好且易于獲得大尺寸材料而被看作是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ囊r底材料。更為誘人的是可以將硅基GaN器件集成到大規(guī)模集成電路中去，因此開展Si基GaN薄膜材料的外延生長有極其重大的應(yīng)用意義。但目前在硅基上生長GaN還存在的主要困難有：1)Si與GaN的晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)失配較大；2）Si與GaN之間的浸潤性差；3）在生長氮化物過程中容易形成Si3N4。因此很難直接在硅襯底

5、上制備出高質(zhì)量的GaN單晶。 為了克服這些困難并獲得高質(zhì)量的氮化鎵薄膜，人們想了很多辦法，其中退火是獲得高質(zhì)量結(jié)晶氮化鎵薄膜的一種有效途徑。在該篇論文中，我們利用脈沖激光沉積系統(tǒng)先在Si襯底上制備氮化鎵薄膜，然后研究了在氨氣氛圍中不同退火溫度對薄膜的影響。測試結(jié)果表明，生成的GaN薄膜為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，退火溫度對GaN薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和形貌都有重要影響。隨著退火溫度的升高，GaN薄膜顆粒開始變小，薄膜表面趨于相對光滑，薄膜的結(jié)晶質(zhì)

6、量也逐漸提高。其中，經(jīng)過1100℃退火處理的樣品結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌最佳。當退火溫度繼續(xù)升高（高于1100℃）時，氮化鎵結(jié)晶質(zhì)量反而下降。除對樣品進行退火外，采用緩沖層來緩解薄膜和襯底之間的晶格失配和熱失配，也是獲得高質(zhì)量氮化鎵薄膜的一種有效途徑。目前常用做氮化鎵緩沖層的材料是SiC和ZnO，在本篇論文中，我們采用AlN和GaN來做氮化鎵薄膜與硅襯底之間的緩沖層，研究了它們對生長氮化鎵薄膜的影響。 測試結(jié)果表明：在低溫下生長的緩沖