HVPE生長自支撐GaN單晶及其性質(zhì)研究.pdf

1、GaN是一種非常重要的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于光電子器件和電力電子器件。但是由于缺乏GaN單晶襯底，目前大部分GaN基器件都是在異質(zhì)襯底上制備的，而二者之間存在的晶格失配和熱失配導(dǎo)致GaN外延層中的位錯(cuò)密度較高，這大大降低了GaN基器件的性能和使用壽命，因此亟需高質(zhì)量的GaN單晶襯底來解決這一問題。氫化物氣相外延(Hydride Vapor PhaseEpitaxy，HVPE)法是一種極具前景的生長GaN單晶的方法，但是H

2、VPE法生長GaN單晶主要在異質(zhì)襯底上進(jìn)行，因此GaN與異質(zhì)襯底之間的分離成為獲得GaN單晶襯底的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。目前使GaN與異質(zhì)襯底分離最常用的方法是機(jī)械研磨和激光剝離，另外還可以通過在襯底上做結(jié)構(gòu)，使GaN在生長結(jié)束后從異質(zhì)襯底上自剝離，但是這些方法一般都比較復(fù)雜，而且會(huì)增加成本。
　　本論文的研究工作主要是優(yōu)化HVPE生長GaN晶體的工藝，并采用低溫緩沖層技術(shù)，分別在藍(lán)寶石襯底和SiC襯底上生長自支撐GaN單晶。論文主要研究

3、工作如下:
　　1.研究了Ⅴ/Ⅲ對(duì)GaN晶體質(zhì)量和光電性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Ⅴ/Ⅲ的增加，GaN單晶中的位錯(cuò)密度降低、殘余應(yīng)力增加、載流子濃度降低、電子遷移率升高、光學(xué)性能變好。當(dāng)Ⅴ/Ⅲ從10增加到50時(shí)，GaN單晶中的位錯(cuò)密度降低了近一個(gè)數(shù)量級(jí)，殘余應(yīng)力升高了3倍，這主要是由于隨著Ⅴ/Ⅲ的增加，Ga原子的平均擴(kuò)散距離增加，生長模式從3D模式向2D模式轉(zhuǎn)換，從而使位錯(cuò)密度降低，殘余應(yīng)力變大。對(duì)GaN單晶表面進(jìn)行的EBSD分析發(fā)現(xiàn)隨著

4、Ⅴ/Ⅲ的增加，菊池衍射花樣質(zhì)量變好，但是晶體取向偏離理想情況的角度變大。SIMS結(jié)果表明隨著Ⅴ/Ⅲ的增加，Si雜質(zhì)濃度升高而O雜質(zhì)濃度降低，C雜質(zhì)濃度先降低后升高，H雜質(zhì)濃度基本保持不變。另外，隨著Ⅴ/Ⅲ從10增加到50，GaN單晶的載流子濃度從2.118×1018cm-3降低到7.414×1017crm-3，電子遷移率從65cm2/V sec升高240cm2/V sec，并且PL光譜的帶邊發(fā)射峰增強(qiáng)，黃光帶減弱。
　　2.開發(fā)了

5、一種采用低溫緩沖層技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長自支撐GaN單晶的方法，通過研究緩沖層的厚度和退火溫度對(duì)GaN晶體質(zhì)量的影響，確定了最佳工藝條件，獲得了高質(zhì)量的自支撐GaN單晶。當(dāng)緩沖層厚度為800nm，退火溫度為1090℃時(shí)，得到的HT-GaN(high temperature GaN)晶體質(zhì)量最好，對(duì)應(yīng)的GaN(002)面和(102)面的半峰寬分別為250arcsec和215arcsec，HT-GaN殘余應(yīng)力較小，并且其光學(xué)性質(zhì)最好。對(duì)其表

6、面進(jìn)行的EBSD分析發(fā)現(xiàn)， HT-GaN表面BS值相對(duì)較高，這也說明其內(nèi)部應(yīng)力較小。在最佳工藝條件下進(jìn)行HT-GaN的生長時(shí)，當(dāng)晶體厚度超過300μm，GaN單晶就會(huì)從藍(lán)寶石襯底上自剝離。
　　3.采用低溫緩沖層技術(shù)在SiC的C面上直接生長自支撐GaN單晶，系統(tǒng)研究了不同緩沖層工藝和Ⅴ/Ⅲ對(duì)GaN晶體質(zhì)量的影響，確定了最佳工藝條件，獲得了高質(zhì)量的自支撐GaN單晶。在無緩沖層條件下進(jìn)行HT-GaN的生長時(shí)，得到的HT-GaN為多晶且

7、不能與襯底分離;在沒有經(jīng)過退火的緩沖層上進(jìn)行HT-GaN的生長時(shí)，得到的HT-GaN能從襯底上自剝離但仍為多晶，從而證明了緩沖層在提高晶體質(zhì)量和緩沖應(yīng)力方面起了重要作用。通過對(duì)比不同緩沖層生長時(shí)間下和Ⅴ/Ⅲ下得到的HT-GaN的晶體質(zhì)量，確定了當(dāng)緩沖層生長時(shí)間為30min、Ⅴ/Ⅲ為90時(shí)得到的HT-GaN晶體質(zhì)量最好，并且生長結(jié)束后，GaN單晶可以從SiC上自剝離，而SiC襯底沒有受到任何破壞，可以重復(fù)使用。在此生長條件下得到的自支撐G

8、aN單晶的(002)和(102)面的半峰寬分別為261 arcsec和272arcsec，單晶接近無應(yīng)力狀態(tài)并且其光學(xué)性質(zhì)良好。對(duì)自支撐GaN斷面進(jìn)行EBSD掃描發(fā)現(xiàn)，隨著厚度的增加，自支撐GaN的晶體質(zhì)量提高，應(yīng)力減小。
　　4.根據(jù)位錯(cuò)的應(yīng)變能和退火坑形成自由能之間的關(guān)系，開發(fā)了一種新的表征GaN中位錯(cuò)的方法—高溫退火法。由于位錯(cuò)的應(yīng)變能會(huì)降低退火坑形成的自由能，從而使退火坑在位錯(cuò)處優(yōu)先形成，且由于混合位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的應(yīng)變能大于

9、刃位錯(cuò)的應(yīng)變能，使得混合位錯(cuò)和螺位錯(cuò)對(duì)應(yīng)的退火坑尺寸大于刃位錯(cuò)對(duì)應(yīng)的退火坑尺寸，因此可以根據(jù)退火坑的差異對(duì)不同的位錯(cuò)進(jìn)行表征。通過研究不同的退火溫度下GaN表面退火坑的分布和形貌變化發(fā)現(xiàn)退火溫度為1100℃，退火時(shí)間為5min是表征位錯(cuò)的最佳條件。AFM測(cè)試結(jié)果表明，有大小兩種退火坑，且大的退火坑有兩種形狀，分別為:倒梯形和倒金字塔形，這兩種形貌的退火坑對(duì)應(yīng)的晶面相同，都是{20(2)3}面;將高溫退火法與 KOH-NaOH混合熔融液腐