氢化物气相外延生长的GaN膜中的应力分析

对在c面蓝宝石上用氢化物气相外延法(HVPE)生长的六方相纤锌矿结构的GaN膜中的应力进行了分析。高分辨X射线衍射(002)面和(102)面摇摆曲线扫描(半高宽数值分别为317和358角秒)表明生长的GaN膜具有较好的晶体质量。利用高分辨X射线衍射技术准确测量了制备的GaN膜的晶格常数,并计算得到GaN膜中面内双轴应变和面外双轴应变分别为3.37×10-4和-8.52×10-4,等静压应变为-7.61×10-5。拉曼光谱和激光光致发光谱测试表明HVPE-GaN外延膜具有较好的光学特性,利用拉曼光谱的E2模式特征峰和激光光致发光谱中近带边发射峰的频移定量计算了外延膜中的面内双轴压应力和等静压应力。两种方法得到的面内双轴压应力较为相符。

氢化物气相外延生长GaN膜性质研究

利用氢化物气相外延技术在c面蓝宝石上生长得到纤锌矿结构GaN膜。采用高分辨X射线衍射、拉曼光谱和光致发光谱对GaN外延膜进行了结构表征和光学性质研究,重点探讨了光致发光谱的温度变化特性。样品(002)面和(102)面摇摆曲线半高宽分别为322和375 arcsec,表明生长的GaN膜具有较好的晶体质量。高分辨X射线衍射、拉曼光谱和光致发光谱测试表明,外延膜中存在0.26 GPa的面内压应力。变温光致发光谱研究发现GaN外延膜中A自由激子发射峰和施主束缚激子发射峰随温度变化服从能带收缩理论。但由于A自由激子单声子伴峰可能是一种与自由激子动能变化相关的自由激子-声子相互作用的复合机制,导致其峰位呈现先蓝移后红移变化,以及其积分强度出现先增加后降低的现象。

氢化物气相外延生长的GaN厚膜中位错密度计算

采用两种不同的方法分别确定了在c面蓝宝石上用氢化物气相外延(HVPE)法生长的六方相的GaN厚膜中的位错密度。首先,利用选择性化学腐蚀方法研究了GaN膜中的晶体缺陷,研究区分了位错的不同类型,发现在HVPEGaN贯通位错占主导地位。由腐蚀后形成的腐蚀坑数量可以直接来确定膜中的位错密度。此外,研究了用特定的X射线衍射峰半峰宽数据计算得到位错密度的方法。结果表明,HVPE生长的六方相的GaN厚膜中的位错密度为109～1010cm-2,而且两种方法所得到的结果相符合。

GaN氢化物气相外延生长系统的设计与制作

根据GaN氢化物气相外延生长(HVPE)的原理,设计制作了双温区卧式HVPE系统．根据实际生长中出现的问题和CaN样品的测试情况,对系统进行了逐步的调试和改进．

一种垂直递变流速氢化物气相外延(HVPE)反应腔流场分析及大尺寸材料生长

以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,是我国重要战略发展方向之一,而氢化物气相外延(HVPE)作为一种重要材料生长技术,是有效制备单晶材料的工艺手段,本文提出了一种分层次递变流速下HVPE流场与温度场,在垂直腔结构条件下,模拟从腔体中间区域到边缘区域不同流速层次条件下,腔内材料生长区域反应前驱物分布,得出结论:在边缘喷射区域流速为中心区域流速三倍时,反应前驱物可以有效分布在衬底托盘表面。最后,在蓝宝石衬底GaN籽晶表面进行HVPE材料生长,获得平均厚度为20.1μm,均匀性起伏6.9%的GaN单晶,证明理论优化设计下生长出良好的单晶薄膜材料。

含有低温AlN插入层的厚膜GaN的氢化物气相外延生长

研究了采用低温氮化铝(LT-AlN)插入层的厚膜GaN的氢化物气相外延生长(HVPE),并比较了7nm厚的LT-AlN插入层在经过不同退火时间后对GaN膜生长的影响.结果表明,退火后的LT-AlN插入层表面形貌发生很大变化.在一定的退火条件下,AlN插入层能有效地改善HVPE生长的GaN外延层的结晶质量.

用氢化物气相外延(HVPE)法生长的氮化铟薄膜的性质研究

在自制设备上用氢化物气相外延(HVPE)方法在α-Al_2O_3以及GaN/α-Al_2O_3衬底上生长了InN薄膜,并对其性质进行了研究。重点研究了生长温度的变化对所获得的InN薄膜的影响,并利用X射线衍射研究了InN薄膜的结构,用扫描电子显微镜研究了其表面性质,用霍尔测量研究了其电学性质。x射线衍射的结果表明,直接在α-Al_2O_3上生长得到的是InN多晶薄膜;而在GaN/α-Al_2O_3上得到的InN薄膜都只有(0002)取向,并且没有金属In或是In相关的团簇存在。综合分析可以发现,在650℃时无法得到InN薄膜,而在温度550℃时生长的InN薄膜具有光滑的表面和最好的晶体质量。

Ga_(x)In_(1-x)P氢化物气相外延制备工艺及性能研究进展

对Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体Ga_(x)In_(1-x)P材料的性质、应用和外延工艺的发展进行了简单阐述,重点介绍了Ga_(x)In_(1-x)P材料的氢化物气相外延(HVPE)制备工艺对Ga_(x)In_(1-x)P外延层质量和Ga_(x)In_(1-x)P太阳电池性能的影响,并对国外研究中用于制备Ga_(x)In_(1-x)P材料的垂直和水平HVPE结构设计、外延的原理和工艺改进、Ga_(x)In_(1-x)P太阳电池的结构等对外延层质量和相关器件性能的影响进行了评述,总结了近年来HVPE法制备Ga_(x)In_(1-x)P材料在太阳电池领域的研究进展,HVPE有望代替MOCVD而成为Ga_(x)In_(1-x)P的主流制备工艺。最后,对HVPE法制备Ga_(x)In_(1-x)P太阳电池的研究成果和难点以及未来研究的重点进行了总结,并对国内在该领域的研究工作指明了方向。

氢化物气相外延生长氮化镓单晶衬底的研究进展

氮化镓(GaN)晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子等器件的理想衬底材料,在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景。目前市场上的氮化镓单晶衬底大部分都是通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)方法生长制备的,在市场需求的推动下,近年来HVPE生长技术获得了快速的发展。本论文综述了近年来HVPE方法生长GaN单晶衬底的主要进展,主要内容包含HVPE生长GaN材料的基本原理、GaN单晶中的掺杂与光电性能调控、GaN单晶中的缺陷及其演变规律和GaN单晶衬底在器件中的应用。最后对HVPE生长方法的发展趋势进行了展望。

载气对氢化物气相外延生长厚层GaN基片的影响

采用氢化物气相外延(HVPE)法生长出了高质量的厚层GaN基片。用高分辨X射线双晶衍射仪(DCXRD)及测厚仪对以N2和H2、N2混合为载气生长的基片进行测试。结果表明载气中通入H2可获得较高质量的GaN晶体,同时可以大大降低晶片的弯曲度,便于GaN材料的应用。

AlN单晶氢化物气相外延生长技术研究进展

氮化铝(AlN)晶体具有超宽禁带、深紫外透明、高热导率、高声速以及高温稳定等优异特能,成为当前半导体领域的关键前沿材料之一。它是氮化镓(GaN)基功率半导体器件和深紫外光电器件的理想衬底,也是深紫外光电器件和声表面波器件领域的关键材料。经过1960年代至今的漫长发展历程,AlN晶体生长相关技术种类繁多,但长期以来缺少较为系统的综述。本文介绍了AlN晶体的晶体结构以及主要的性质、应用场景和要求;对AlN晶体生长技术简要分类,重点阐述氢化物气相外延法(HVPE),从原理、生长区结构、温度、气氛、衬底、工艺、应用技术以及优劣势等层面梳理研究进展;最后,指出当前HVPE AlN技术面临的主要挑战。

立式氢化物气相外延反应器生长GaN模拟研究

利用有限元法对立式氢化物气相外延系统工艺参数进行了优化,发现在新设计的立式氢化物气相外延反应器中,存在衬底与气体入口的最佳距离,在最佳距离位置上,沉积的均匀性最好.在设定的条件下模拟的结果表明这个距离为5cm.在此基础上,模拟得到了优化的生长参数.模拟的结果还表明重力方向与GaCl气体出口方向的夹角的大小,对GaN沉积的速率和均匀性影响很大.重力方向与GaCl气体出口方向相反时得到的计算结果与两者方向相同时得到的计算结果比较,尽管GaN沉积速率有所下降,但是沉积均匀性却得到了极大的改善.此外还讨论了浮力效应对GaN沉积的影响.

采用低温AlN插入层在氢化物气相外延中生长GaN膜

采用低温AlN插入层在氢化物气相外延(HVPE)设备中生长出高质量GaN膜。X射线衍射(XRD)测量发现,低温AlN插入层有助于提高GaN膜的结晶质量。低温(10K)光致发光(PL)谱测量表明,低温AlN插入层有助于释放GaN膜外延生长的应力。原子力显微镜(AFM)测量显示,GaN膜具有非常光滑的表面形貌,并估算出其位错密度约为3.3×108cm-2。

氢化物气相外延生长高质量GaN膜生长参数优化研究

系统研究了低温成核层生长时间、高温生长时的V/III比以及生长温度对氢化物气相外延生长GaN膜晶体质量的影响.研究发现合适的低温成核层为后续高温生长提供成核中心,并能有效降低外延膜与衬底间的界面自由能,促进成核岛的横向生长;优化的V/III比和最佳生长温度有利于降低晶体缺陷密度,促进横向生长,增强外延膜的二维生长.利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨X射线衍射、低温光致发光谱和室温拉曼光谱对优化条件下生长的GaN外延膜进行了结构和光电特性表征.测试结果表明,膜表面平整光滑,呈现二维生长模式表面形貌;(002)和(102)面摇摆曲线半高宽分别为317和343 arcsec;低温光致发光谱中近带边发射峰为3.478 eV附近的中性施主束缚激子发射峰,存在11 meV的蓝移,半高宽为10 meV,并且黄带发光强度很弱;常温拉曼光谱中E2(high)峰发生1.1 cm 1蓝移.结果表明,优化条件下生长的GaN外延膜具有良好的晶体质量和光电特性,但GaN膜中存在压应力.

HVPE气相外延法在c面蓝宝石上选区外延生长GaN及其表征

使用气相沉积SiO2和普通光刻以及湿法腐蚀方法,在c面蓝宝石上开出不同尺寸的正方形窗口,在窗口区域中露出衬底,然后使用氢化物气相外延(HVPE)方法选区外延GaN薄膜.采用光学显微镜、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率双晶X射线衍射(DCXRD)和喇曼谱测试(Ramanshift)对薄膜进行分析.结果表明,在c面蓝宝石衬底上独立的正方形窗口区域中外延生长的,厚度约20μm的GaN薄膜,当窗口面积为100μm×100μm时,GaN表面无裂纹;而当窗口面积为300μm×300μm和500μm×500μm时,GaN表面有裂纹.随着窗口面积的减小,GaN双晶衍射摇摆曲线的(0002)峰的半高宽(FWHM)减小,表明晶体的质量更好,最小的半高宽为530″.从正方形窗口区的角上到边缘再到中心,GaN的面内压应力逐渐减小,分析认为这与GaN横向外延区(ELO区)与SiO2掩膜之间的相互作用,以及窗口区到ELO区的线位错的90°扭转有关.

GaN基材料及其外延生长技术研究

介绍了GaN基材料的基本特性、三种主要外延生长技术(MOCVD、MBE、HVPE)、衬底材料的选择及缓冲层技术;分析得出目前存在的GaN体单晶技术不完善、外延成本高、衬底缺陷及接触电阻大等主要问题制约了研究的进一步发展;指出今后的研究重点是完善GaN体单晶材料的生长工艺,以利于深入研究GaN的物理特性及有效地解决衬底问题,研究缓冲层的材料、厚度、组分等以提高GaN薄膜质量。

HVPE外延GaN膜中黄带的光致发光激发谱研究

测量了氢化物气相外延方法生长的非特意掺杂和掺碳GaN外延膜的光致发光谱 ,并在光致发光谱峰位2 .2 5eV(5 5 0nm)附近分别测量了光致发光激发谱 ,对两者进行了比较 .从光致发光谱中发现掺碳使黄带明显增强 ,从光致发光激发谱中看到了掺碳引起的约 3.38～ 2 .6 7eV(36 7～ 4 6 5nn)范围内的特征激发带 .利用CC曲线模型说明了特征激发带和黄带之间的关系 ,分析了黄带的可能起因 .

氮气载气流量和系统温度对GaN膜质量的影响

系统研究了HCl的载气、NH3的载气、总N2载气流量以及镓源反应温度和外延生长温度对氢化物气相外延技术在c面蓝宝石上生长的GaN膜晶体质量的影响,并利用高分辨X射线衍射技术,喇曼光谱和光致发光谱对生长的外延膜进行表征。结构表征发现,优化的N2载气流量、镓源反应温度和外延生长温度生长得到的GaN膜具有优良的晶体质量和光电特性。测试结果表明,载气流量的改变影响生长系统中的寄生沉积、GaN膜生长表面过饱和度与Ga和N源气体原子团的气体输运;优化的生长温度可以增强GaN膜的横向外延并促进其二维模式生长,进而有利于生长高质量并具有光滑平面的GaN外延膜。

HVPE生长室气流分布模拟及GaCl载气流量对GaN单晶生长的影响

采用计算流体力学软件Fluent对HVPE反应室进行了数值模拟,研究了GaCl载气流量对HVPE反应室气流分布的影响,发现GaCl载气流量是影响GaCl和NH3在衬底上均匀分布的重要因素。采用HVPE方法在不同GaCl载气流量下生长GaN单晶,研究了GaCl载气流量对GaN单晶质量的影响,得到了与模拟一致的结果。

ZnO缓冲层的厚度对HVPE-GaN外延层的影响

为了得到高质量的GaN材料,首先在c面蓝宝石(Al2O3)衬底上射频磁控溅射不同厚度的ZnO缓冲层,然后采用氢化物气相外延(HVPE)法在ZnO缓冲层上生长约5.2μm厚的GaN外延层,研究ZnO缓冲层的厚度对GaN外延层质量的影响。用微分干涉显微镜(DIC)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和光致发光(PL)技术研究分析了GaN外延层的表面形貌、结晶质量和光学特性。结果表明,ZnO缓冲层的厚度对GaN外延层的特性有着重要的影响,200 nm厚的ZnO缓冲层最有利于高质量GaN外延层的生长。