新型硅基GaN外延材料的热应力模拟

采用有限元方法，通过ANSYS软件模拟了体硅衬底上和SOI衬底上生长的GaN外延膜从1100℃的生长温度降到20℃的热应力变化情况。模拟结果表明SOI衬底作为一种柔性衬底，能有效减少异质外延的晶格失配，但是单从热失配的角度，由于引入了热膨胀系数（CET）更小的埋层SiO2，SOI衬底会使得外延层热应力略有增大。为了降低外延层中的热应力，我们结合微机电系统（MEMS）的制造工艺，用深反应离子刻蚀（DRIE）的方法，借助于SOI材料自停止刻蚀的优势，将衬底硅和埋氧去除，使得SOI的超薄顶层硅部分悬空，形成一种新型的SOI衬底。模拟结果表明，这种新型SOI衬底可以将GaN外延层中的热应力降低20％左右。

注氮剂量对SIMON材料性能影响的研究

采用氧氮共注的方法制备了氮氧共注隔离SOI(SIMON)圆片,对制备的样品进行了二次离子质谱和透射电镜分析,并对埋层结构与抗辐射性能的机理进行了分析。结果表明,注氮剂量较低时埋层质量较好。机理分析结果表明,圆片的抗辐照性能与埋层质量之间存在很密切的关系,埋层的绝缘性能是影响器件抗辐射效应的关键因素。

基于薄膜SOI材料的GaN外延生长应力释放机制

本文研究了SOI衬底上采用MOCVD方法生长GaN材料的应力释放机制。采用SIMOX工艺制备的具有薄膜顶层硅的SOI材料作为外延生长的衬底材料,采用MOSS在位检测系统以及拉曼测试作为GaN内部应力的表征手段。结果表明,SOI材料对硅基GaN异质外延中的晶格失配应力和热应力的释放都有显著作用。薄膜SOI材料通过顶层硅与外延层的界面滑移,将一部分晶格失配应力通过界面的滑移释放,并且通过柔性薄膜顶层硅自身的应力吸收作用,将一部分热失配应力转移到衬底,从而有效地降低了GaN外延层的张应力。

SOI基GaN生长中热应力的模拟计算分析

通过分析SOI基GaN生长的机制,结合热膨胀系数不同而产生应力的原理,利用弹性力学原理,我们对已有的计算多层结构应力的模型进行了简化修改,得到了能够方便的计算SOI基GaN生长过程中的热应力分布的模型。对具体样品的模拟计算表明,GaN层中张应力的值约为0.5GPa,曲率半径为9.1m。SOI结构中SiO2埋层以及顶层硅厚度变化对GaN层的热应力影响很小,但是对SOI自身各层中应力影响较大。通过合理简化模型,我们分析了蓝宝石基以及SiC基GaN生长中的热应力的分布问题。