N極性GaN基薄膜材料的外延生長及特性研究.pdf

1、由于具有突出的異質(zhì)結(jié)特性且易于實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，N極性GaN基材料在高電子遷移率晶體管(HEMT)、發(fā)光二極管(LED)以及光電探測器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而由于c面藍(lán)寶石襯底與GaN基外延薄膜之間存在較大的晶格失配和熱失配，并且金屬原子在N極性GaN基外延薄膜表面的遷移能力較弱，使用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)生長得到的N極性GaN基外延薄膜的晶體質(zhì)量和表面形貌距離制備器件的需求還有一定差距。本文使用低壓MOCVD系統(tǒng)在

2、藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行了N極性GaN基外延薄膜的生長，對各種生長參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對生長機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，進(jìn)而研發(fā)了用于N極性GaN外延薄膜生長的改進(jìn)流量調(diào)制技術(shù)。
　　本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)通過實(shí)驗(yàn)研究，充分優(yōu)化了影響N極性GaN外延薄膜生長的主要參數(shù)，如襯底取向、氮化溫度、成核層生長溫度及時(shí)間、生長Ⅴ/Ⅲ比和外延層厚度等。通過使用c面藍(lán)寶石和c面偏m面2°的藍(lán)寶石襯底生長N極性GaN外延薄膜的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)

3、果表明使用具有斜切角的藍(lán)寶石襯底生長N極性GaN外延薄膜能夠有效消除N極性GaN外延薄膜表面的六方缺陷，又同時(shí)引入了具有臺(tái)階狀的表面形貌，有利于實(shí)現(xiàn)二維模式生長。通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了N極性GaN外延薄膜的各種生長參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)?shù)瘻囟葹?50℃，GaN成核層在470℃以上的溫度生長，退火時(shí)間為10分鐘，生長Ⅴ/Ⅲ比為512時(shí)，生長得到的N極性GaN外延薄膜具有最好的晶體質(zhì)量。另外，通過對N極性GaN外延薄膜生長厚度的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，N極

4、性GaN外延薄膜表面的六方缺陷密度隨著外延薄膜生長厚度的增大而減小。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了堿溶液腐蝕方法對N極性GaN外延薄膜極性判斷的有效性。
　　(2)充分分析了現(xiàn)有流量調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。結(jié)合N極性GaN外延薄膜生長的特點(diǎn)，并通過N極性GaN外延薄膜的生長實(shí)驗(yàn)，研發(fā)了一種改進(jìn)的流量調(diào)制技術(shù)。改進(jìn)的流量調(diào)制生長方法大幅度提高了N極性GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量，表現(xiàn)在將N極性GaN外延薄膜的X射線搖擺曲線(XRC)半高寬值降低至2

5、20 arcsec，因而大幅度降低了N極性GaN外延薄膜中的位錯(cuò)密度。另外，對所有生長的N極性GaN外延薄膜樣品的光學(xué)和電學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明改進(jìn)的流量調(diào)制生長方法能夠?qū)崿F(xiàn)對低溫GaN成核層表面形貌的有效控制，特別是在間隔通入Ga源的中斷時(shí)間為4s時(shí)，能夠顯著地降低N極性GaN外延薄膜的非故意摻雜濃度和穿透型位錯(cuò)密度，進(jìn)而降低了本征載流子濃度，提高了載流子的遷移率，增強(qiáng)了本征發(fā)光強(qiáng)度并且降低了缺陷引起的藍(lán)帶發(fā)光的強(qiáng)度。

6、>　　(3)全球首次使用MOCVD技術(shù)在c面藍(lán)寶石襯底上生長了Al組分約為10％的N極性AlGaN外延薄膜，并深入研究了氮化時(shí)間對N極性AlGaN外延薄膜的表面形貌、晶體質(zhì)量、電學(xué)性能及光學(xué)性能的影響，同時(shí)對其生長條件與生長機(jī)理進(jìn)行了深入的分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)?shù)瘯r(shí)間為3.5 min時(shí)，生長所得的N極性AlGaN外延薄膜的表面六方缺陷尺寸最小，晶體質(zhì)量最高。另外，由于氧雜質(zhì)與碳雜質(zhì)的并入得到了有效抑制，因而獲得了具有較低的背景載流子濃度的