基于MOCVD方法的N面GaN材料生長及特性研究.pdf

1、由于具有禁帶寬度大、直接帶隙、電子速率快、擊穿場強高等優(yōu)點，基于GaN基半導體材料的光電器件和微波器件已經(jīng)在照明與顯示、通信與雷達等領域發(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，這是因為無論MOCVD還是MBE生長，Ga極性GaN材料更易可控生長，而且結晶質(zhì)量、表面形貌等更為優(yōu)越。但是，從材料性質(zhì)來講，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，在制備高性能的光電器件、探測器以及微波功率器件方面具備很大的潛力。
　　本文基于MOCVD生長工藝，對不同襯底上N面GaN材料的生長機理、缺陷控制方法以及性質(zhì)表征等進行了系統(tǒng)的研究。主要的研究工作和成果如下:
　　(1)在C面藍寶石襯底上，利用MOCVD工藝，通過采用襯底表面的深度氮化結合高Ⅴ/Ⅲ比的高溫AlN成核層等方法，顯著改變了生長初期襯底表面附近的化學勢，成功生長出N面GaN材料，并基于化學腐蝕法證實了N面

3、極性。AFM測試結果顯示表面RMS粗糙度為3.31 nm，XRD測試結果顯示螺位錯密度為2.3×109 cm-2，刃位錯密度為5.3×109 cm-2。
　　(2)采用小角度斜切的C面藍寶石襯底進行了N面GaN生長研究，首次發(fā)現(xiàn)了一種新的位錯湮滅機制，即采用斜切襯底形成的GaN層錯可以有效地抑制位錯的延伸。通過充分利用該機制，結合生長工藝的優(yōu)化，成功獲得了具有高結晶質(zhì)量、優(yōu)良表面形貌和光學性質(zhì)的N面GaN材料。通過斜切襯底與常規(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，位錯密度由2.2×109 cm-2降低至1.2×109 cm-2。所有測試結果均表明斜切襯底上生長的N面GaN表面具有更高的質(zhì)量。通過TEM測試發(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)層錯阻擋位錯向上延伸的現(xiàn)

5、象，這是斜切襯底改善GaN結晶質(zhì)量的主要原因。
　　(3)深入研究了N面GaN材料中的C雜質(zhì)結合問題，創(chuàng)新地提出了在N面GaN材料表面C雜質(zhì)結合的化學模型，通過XPS測試證實了C-Ga化學鍵的存在，驗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)結合的關聯(lián)性，表面形貌越好，C雜質(zhì)結合濃度越低，C雜質(zhì)對應的黃帶發(fā)光會大大抑制。通過對不同形貌N面GaN材料PL譜測試結果的比較，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14.3，充分驗證了C雜質(zhì)結合模型的正確性。
　　(4)提出了在SiC襯底通過控制高溫AlN成核層生長的Ⅴ/Ⅲ比來改變GaN材料表面極性的方法，實驗證實，當采用具有極高Ⅴ/Ⅲ比生長的高溫AlN成核層時，能夠有效控制生長表面的化學勢，成功獲得N面GaN材料。生長研究中發(fā)現(xiàn)，當高溫AlN成核層Ⅴ/Ⅲ比從901提高至27026時，Ga

7、N外延材料的極性成功由Ga面轉化為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)實驗研究N面GaN樣品中的O雜質(zhì)含量與樣品的生長溫度之間的關系，發(fā)現(xiàn)了生長溫度越低，O雜質(zhì)結合率越高，并對其來源進行了解釋。實驗發(fā)現(xiàn)，GaN材料中O

8、雜質(zhì)的含量從生長溫度為1050℃時的3.04×1018 cm-3升高至900℃時的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)部向上擴散形成的。
　　(6)基于第一性原理計算，系統(tǒng)研究了O雜質(zhì)在Ga面和N面GaN材料中不同的結合特性，發(fā)現(xiàn)在不同極性面GaN中，O雜質(zhì)的結合位置不同，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。計算結果顯示，對于Ga面