低溫GaN成核層MOCVD生長工藝對GaN外延薄膜影響的研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用是目前半導(dǎo)體行業(yè)的熱點(diǎn)。GaN基半導(dǎo)體材料作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，在高溫、高頻、微波、大功率光電子等領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展，大量的研究也證明以GaN等為代表的寬禁帶、直接帶隙半導(dǎo)體材料仍有著廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展前景。然而由于GaN熔點(diǎn)高，平衡蒸汽壓很大，GaN材料的制備極為困難并且成本極高，這也使得GaN的外延生長主要在異質(zhì)襯底（如藍(lán)寶石）上進(jìn)行，但異質(zhì)襯底與GaN之間較大的晶格失配及熱失配導(dǎo)致后續(xù)生長

2、的GaN外延層具有很高的位錯(cuò)密度(約為108-1010cm-2)，晶體質(zhì)量比較差。這些高密度的位錯(cuò)嚴(yán)重影響了半導(dǎo)體材料的晶體質(zhì)量和光電性能。為了提高GaN外延薄膜的生長質(zhì)量，本文從成核層的生長工藝入手，通過對成核層生長時(shí)的溫度和氨氣流量兩個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量，并對成核層的生長機(jī)理和對上層非摻雜GaN外延薄膜的影響機(jī)制作了進(jìn)一步的討論，其主要的研究成果如下:
　　首先，本文利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MO

3、CVD)設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上生長了具有不同成核層生長溫度(分別為610℃、630℃、650℃、670℃和690℃)的五組GaN外延薄膜樣品，并通過in-situ原位監(jiān)測以及AFM、HRXRD、PL和HALL等表征手段進(jìn)行檢測。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，成核層的生長溫度對GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量有著重大的影響。只有在適合的溫度下，GaN成核層才會在退火后形成大小均一，密度適中的三維形核島，然后在后續(xù)的生長過程中順利實(shí)現(xiàn)從3D生長模式向2D生長模式的

4、轉(zhuǎn)變，最終得到高質(zhì)量的GaN外延薄膜。在成核層生長溫度為650℃時(shí)，得到最為光滑致密的GaN外延薄膜，位錯(cuò)密度最低，光電性能最好，帶邊峰強(qiáng)度最高，載流子濃度最低，載流子遷移率最高。
　　除溫度外，本文還探究了氨氣流量對低溫GaN成核層生長過程的影響，以及對后續(xù)高溫非摻雜GaN外延薄膜晶體質(zhì)量的影響。本實(shí)驗(yàn)仍用Aixtron公司的MOCVD設(shè)備，采用兩步生長法在藍(lán)寶石襯底上制備了成核層生長時(shí)氨氣流量不同(分別為A樣品400sccm、