基于MOCVD方法的N面GaN材料生長(zhǎng)及特性研究.pdf

1、由于具有禁帶寬度大、直接帶隙、電子速率快、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高等優(yōu)點(diǎn)，基于GaN基半導(dǎo)體材料的光電器件和微波器件已經(jīng)在照明與顯示、通信與雷達(dá)等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。目前常規(guī)的GaN器件大都是基于Ga面GaN材料制各的，這是因?yàn)闊o(wú)論MOCVD還是MBE生長(zhǎng)，Ga極性GaN材料更易可控生長(zhǎng)，而且結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌等更為優(yōu)越。但是，從材料性質(zhì)來(lái)講，與Ga極性面相比，N極性面GaN材料具有更為活躍的表面性質(zhì)、與Ga面相反的極化方向、易形成更低電阻的歐姆接

2、觸等優(yōu)勢(shì)，在制備高性能的光電器件、探測(cè)器以及微波功率器件方面具備很大的潛力。
　　本文基于MOCVD生長(zhǎng)工藝，對(duì)不同襯底上N面GaN材料的生長(zhǎng)機(jī)理、缺陷控制方法以及性質(zhì)表征等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要的研究工作和成果如下:
　　(1)在C面藍(lán)寶石襯底上，利用MOCVD工藝，通過(guò)采用襯底表面的深度氮化結(jié)合高Ⅴ/Ⅲ比的高溫AlN成核層等方法，顯著改變了生長(zhǎng)初期襯底表面附近的化學(xué)勢(shì)，成功生長(zhǎng)出N面GaN材料，并基于化學(xué)腐蝕法證實(shí)了N面

3、極性。AFM測(cè)試結(jié)果顯示表面RMS粗糙度為3.31 nm，XRD測(cè)試結(jié)果顯示螺位錯(cuò)密度為2.3×109 cm-2，刃位錯(cuò)密度為5.3×109 cm-2。
　　(2)采用小角度斜切的C面藍(lán)寶石襯底進(jìn)行了N面GaN生長(zhǎng)研究，首次發(fā)現(xiàn)了一種新的位錯(cuò)湮滅機(jī)制，即采用斜切襯底形成的GaN層錯(cuò)可以有效地抑制位錯(cuò)的延伸。通過(guò)充分利用該機(jī)制，結(jié)合生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化，成功獲得了具有高結(jié)晶質(zhì)量、優(yōu)良表面形貌和光學(xué)性質(zhì)的N面GaN材料。通過(guò)斜切襯底與常規(guī)襯

4、底(未斜切）上N面GaN外延材料的比較表明，(002)面搖擺曲線的半高寬由常規(guī)襯底的793 arcsec降低至斜切襯底的630 arcsec，(102)面搖擺曲線的半高寬由743 arcsec降低至626 arcsec，位錯(cuò)密度由2.2×109 cm-2降低至1.2×109 cm-2。所有測(cè)試結(jié)果均表明斜切襯底上生長(zhǎng)的N面GaN表面具有更高的質(zhì)量。通過(guò)TEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)，斜切襯底N面GaN外延層中靠近成核層位置處出現(xiàn)層錯(cuò)阻擋位錯(cuò)向上延伸的現(xiàn)

5、象，這是斜切襯底改善GaN結(jié)晶質(zhì)量的主要原因。
　　(3)深入研究了N面GaN材料中的C雜質(zhì)結(jié)合問(wèn)題，創(chuàng)新地提出了在N面GaN材料表面C雜質(zhì)結(jié)合的化學(xué)模型，通過(guò)XPS測(cè)試證實(shí)了C-Ga化學(xué)鍵的存在，驗(yàn)證了所提模型的正確性，并揭示了N面GaN中表面形貌與C雜質(zhì)結(jié)合的關(guān)聯(lián)性，表面形貌越好，C雜質(zhì)結(jié)合濃度越低，C雜質(zhì)對(duì)應(yīng)的黃帶發(fā)光會(huì)大大抑制。通過(guò)對(duì)不同形貌N面GaN材料PL譜測(cè)試結(jié)果的比較，常規(guī)襯底上得到了N面GaN材料由于形貌較差，帶

6、邊峰與黃帶發(fā)光強(qiáng)度比IBE/IYL為0.65，而斜切襯底上得到的N面GaN材料形貌好，IBE/IYL高達(dá)14.3，充分驗(yàn)證了C雜質(zhì)結(jié)合模型的正確性。
　　(4)提出了在SiC襯底通過(guò)控制高溫AlN成核層生長(zhǎng)的Ⅴ/Ⅲ比來(lái)改變GaN材料表面極性的方法，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)采用具有極高Ⅴ/Ⅲ比生長(zhǎng)的高溫AlN成核層時(shí)，能夠有效控制生長(zhǎng)表面的化學(xué)勢(shì)，成功獲得N面GaN材料。生長(zhǎng)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高溫AlN成核層Ⅴ/Ⅲ比從901提高至27026時(shí)，Ga

7、N外延材料的極性成功由Ga面轉(zhuǎn)化為N面，樣品表面RMS粗糙度從Ga面的0.96 nm變?yōu)镹面的6.14 nm，Peak-Valley起伏值由Ga面的6.4 nm變?yōu)镹面的54 nm，方塊電阻由Ga面的高阻狀態(tài)變?yōu)镹面的低阻狀態(tài)，表明Ga面和N面極性GaN材料存在顯著的差異。
　　(5)實(shí)驗(yàn)研究N面GaN樣品中的O雜質(zhì)含量與樣品的生長(zhǎng)溫度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了生長(zhǎng)溫度越低，O雜質(zhì)結(jié)合率越高，并對(duì)其來(lái)源進(jìn)行了解釋。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GaN材料中O

8、雜質(zhì)的含量從生長(zhǎng)溫度為1050℃時(shí)的3.04×1018 cm-3升高至900℃時(shí)的3.15×1019 cm-3。分析表明，N面GaN材料內(nèi)部O雜質(zhì)是由表面吸附O雜質(zhì)而形成的，而不是由外延層內(nèi)部向上擴(kuò)散形成的。
　　(6)基于第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)研究了O雜質(zhì)在Ga面和N面GaN材料中不同的結(jié)合特性，發(fā)現(xiàn)在不同極性面GaN中，O雜質(zhì)的結(jié)合位置不同，而且隨著O原子吸附濃度的變化，其表面吸附能也存在不同的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)于Ga面