等离子体增强原子层沉积AlN外延单晶GaN研究

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料,具有较大的禁带宽度,较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优异特性,被广泛应用于电子器件和光电子器件中。由于与衬底的失配问题,早期工艺制备GaN材料难以获得高质量单晶GaN薄膜。直到采用两步生长法,即先在衬底上低温生长氮化铝(AlN)成核层,再高温生长GaN,才极大地提高了GaN材料的质量。目前用于制备AlN成核层的方法有磁控溅射以及分子束外延等,为了进一步提高GaN晶体质量,本研究提出在两英寸c面蓝宝石衬底上使用等离子体增强原子层沉积(Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition,PEALD)方法制备AlN成核层来外延GaN。相比于磁控溅射方法,PEALD方法制备AlN的晶体质量更好;相比于分子束外延方法,PEALD方法的工艺简单、成本低且产量大。沉积AlN的表征结果表明,AlN沉积速率为0.1 nm/cycle,并且AlN薄膜具有随其厚度变化而变化的岛状形貌。外延GaN表征结果表明,当沉积厚度为20.8 nm的AlN时,GaN外延层的表面最平整,均方根粗糙度为0.272 nm,同时具有最好的光学特性以及最低的位错密度。本研究提出了在PEALD制备的AlN上外延单晶GaN的新方法,沉积20.8 nm的AlN有利于外延高质量的GaN薄膜,可以用于制备高电子迁移率晶体管及发光二极管。

大尺寸GaN微波材料范德瓦耳斯外延机理及应力调控研究

本文基于金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,以少层氮化硼(BN)作为插入层在4英寸蓝宝石衬底上开展范德瓦耳斯异质外延GaN微波材料的生长机理及应力调控方面的研究,探讨了AlN成核工艺对GaN缓冲层生长机制的影响,以及与材料晶体质量、应力及电学性能等之间的关联。提出了一种基于AlN/AlGaN复合成核技术的应力调控方案,首次实现了大尺寸范德瓦耳斯(vdW)异质外延材料应力的有效管控,研制的GaN微波材料的弯曲度(Bow)为+20.4μm,(002)/(102)面半峰全宽为471.6/933.5 arcsec,表面均方根粗糙度为0.52 nm,电子迁移率达到2000 cm^(2)/(V·s)。最后,基于机械剥离实现了大尺寸晶圆级GaN微波材料与蓝宝石衬底的分离,为高导热衬底转移提供便利,为大功率射频器件的制作创造条件。

AlN缓冲层对Si基GaN外延薄膜性质的影响

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同AlN缓冲层厚度的GaN样品,研究了AlN缓冲层厚度对GaN外延层的应力、表面形貌和晶体质量的影响。研究结果表明:厚度为15 nm的AlN缓冲层不仅可以有效抑制Si扩散,而且还给GaN外延层提供了一个较大的压应力,避免GaN薄膜出现裂纹。在该厚度AlN缓冲层上制备的GaN薄膜表面光亮、无裂纹,受到的张应力为0.3 GPa,(0002)和(1012)面的高分辨X射线衍射摇摆曲线峰值半高宽分别为536 arcsec和594 arcsec,原子力显微镜测试得到表面粗糙度为0.2 nm。

AlN插入层对AlGaN/GaN外延材料电学性能影响

采用MOCVD制备了带有Al N插入层Al Ga N/Ga N异质结构外延材料,对外延材料分别进行了原子力显微镜AFM、双晶XRD以及变温HALL测试。测试结果表明:具有Al N插入层的外延材料表面非常平整,10μm×10μm范围样品的表面均方根粗糙度RMS仅为0.302 nm,Al Ga N势垒层衍射峰更尖锐,材料结构特性良好,大大提高了Al Ga N/Ga N异质结的2DEG面密度和迁移率,280 K和300 K时沟道电子迁移率分别为4736 cm2/V·s和1785 cm2/V·s,比无Al N插入层的传统结构得到的结果分别提高了45.7%和23.4%。

SiC衬底AlN缓冲层的应变对GaN外延层质量的影响

在3英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法生长GaN外延材料。研究了AlN缓冲层的应变状态对GaN外延层应变状态和质量的影响。使用原子力显微镜和高分辨率X射线双晶衍射仪观察样品表面形貌,表征外延材料质量的变化,使用高分辨喇曼光谱仪观察外延材料应力的变化,提出了基于外延生长的应变变化模型。实验表明,GaN外延层的张应变随着AlN缓冲层应变状态的由压变张逐渐减小,随着GaN张应力的逐渐减小,GaN位错密度也大大减少,表面形貌也逐渐变好。

GaN HEMT器件的AlN缓冲层MOCVD外延生长研究

探讨了GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的基础——AlN缓冲层的制备,运用金属有机化学气相沉淀(MOCVD)技术,采用脉冲原子层外延(PALE)和传统连续生长相结合的方法,在提高AlN缓冲层生长速度的同时改善晶体的质量。采用优化后的生长工艺,降低了AlN模板的半高宽,有效改善了缓冲层的晶体质量和表面形貌,为后续高性能GaN HEMT器件的外延结构制备打下了基础。

利用MOCVD在r面蓝宝石上生长的a面GaN中两步AlN缓冲层的优化(英文)

采用两步AlN缓冲层(一层低温AlN和一层高温AlN)在r面蓝宝石衬底上生长了非极性的a面GaN,并利用高分辨X射线衍射和光致荧光谱对所生长的材料进行了研究。两步AlN缓冲层在我们之前的工作中已被证明比单步高温AlN或低温GaN缓冲层更有利于减小材料各向异性和提高晶体质量,本文进一步优化了两步AlN缓冲层的结构,并得到了各向异性更小,晶体质量更好的a面GaN薄膜。分析表明,两步AlN缓冲层中的低温AlN层在减小各向异性中起着关键作用。低温AlN层能抑制了优势方向(c轴)的原子迁移,有利于劣势方向(m轴)的原子迁移,从而减小了Al原子在不同方向迁移能力的差异,并为其后的高温AlN缓冲层和GaN层提供"生长模板",以得到各向异性更小、晶体质量更好的a面GaN材料。

用侧向外延生长法降低立方相GaN中的层错密度

尝试用侧向外延 (ELOG)方法来降低立方相GaN中的层错密度 .侧向外延是在SiO2 /GaN/GaAs图形衬底上进行的 ,对生长所得的立方相GaN外延层用扫描电子显微镜 (SEM)和透射电子显微镜 (TEM)进行了观察和分析 ,TEM的平面像表明经过ELOG方法生长后 ,立方相GaN外延层中的层错密度由侧向外延生长前的 5× 10 9cm-2 降低至生长后的 6× 10 8cm-2 .双晶X射线衍射 (DCXRD)测量给出侧向外延前后外延层ω扫描 (0 0 2 )衍射摇摆曲线的半高宽(FWHM)分别为 33′和 17 8′ ,表明晶体质量有了较大改善 .对立方相GaN侧向外延过程中层错减少的机制进行了讨论 .

插入δAl/AlN缓冲层在Si(111)上生长GaN

采用MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)生长方法,对比在AlN层上加入δAl/AlN缓冲层和不加入δAl/AlN缓冲层两种生长结构,在Si(111)衬底上生长GaN.实验结果表明,在加入δAl/AlN缓冲层后,GaN外延层的裂纹密度得到了有效的降低,晶体质量也得到了明显的提高.通过MOCVD生长方法,利用光学显微镜、XRD和Raman等分析测试手段,研究了δAl/AlN缓冲层对GaN外延层的影响,获得了裂纹密度小、晶体质量高的GaN材料.

(GaN)_n/(AlN)_n应变层超晶格的电子结构

以FreeStanding条件生长的超晶格原胞为计算模型,运用LCAORecursion方法研究了(GaN)n/(AlN)n(001)应变层超晶格的电子结构.由计算结果分析了GaN/AlN应变层超晶格中Ga,Al和N之间的成键情况及其带隙Eg随超晶格层数n的变化趋势;当超晶格中存在空位时,带隙中将形成缺陷能级.最后分析了在超晶格中引入Mg掺杂后对超晶格电子结构的影响.

AlN缓冲层厚度对脉冲激光沉积技术生长的GaN薄膜性能的影响

在蓝宝石(Al2O3)衬底上应用脉冲激光沉积技术(PLD)生长不同厚度的AlN缓冲层后进行GaN薄膜外延生长。采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对外延生长所得GaN薄膜的晶体质量和表面形貌进行了表征。测试结果表明:相比直接在Al2O3衬底上生长的GaN薄膜,通过生长AlN缓冲层的GaN薄膜虽然晶体质量较差,但表面较平整;而且随着AlN缓冲层厚度的增加,GaN薄膜的晶体质量和表面平整度均逐渐提高。可见,AlN缓冲层厚度对在Al2O3衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。

采用AlN缓冲层在Si(111)衬底上生长GaN的形貌

针对Si衬底上生长GaN具有的特有形貌进行了研究,分析采用扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)等手段,研究了使用AlN作为缓冲层的GaN的生长模式、缺陷形成机理、应力释放机制.并且发现缓冲层厚度和外延层生长温度对裂纹和表面缺陷的形成有很大的影响.

立方相GaN外延层中堆垛层错的非对称性

通过 TEM截面像和平面像的观察 ,对于用低压金属有机化合物气相外延 (LP MOVPE)法在 Ga As(0 0 1 )衬底上制备的立方相 Ga N外延层中的缺陷结构进行了观察和分析 .结果表明 ,在立方 Ga N/Ga As(0 0 1 )外延层中存在很高密度的堆垛层错 .层错密度及其宽度在相互垂直的〈1 1 0〉方向上有明显的差异 .闪锌矿结构中 α位错与

在6H-SiC衬底上用低压MOVPE法生长AlN和GaN的过程中用(AlN/GaN)多层缓冲层来控制残余应力

人们已提出用BAlGaN四元系材料制备紫外光谱区的光发射器件.GaN和AlN二元系是这种四元材料在器件应用中的基础材料.6H-SiC衬底在氮化物生长中因其晶格失配小是一大优势,而且SiC衬底的热膨胀系数也和AlN的很接近.然而,对于AlN外延层来说,需要控制其中的残余应力,因为在SiC衬底上直接生长的AlN外延层中存在着因晶格失配所产生的压缩应力.另一方面,在SiC衬底上直接生长的GaN外延层中存在着拉伸应力.这种拉伸应力起源于GaN比衬底有着更大的热膨胀系数.本文讨论了在6H-SiC衬底上生长的氮化物外延层中残余应力的类型、数量及控制.为此目的,提出了在6H-SiC衬底上,无论是生长AlN,还是生长GaN,都可以采用(GaN/AlN)多层缓冲层的办法,作为控制残余应力的有效方法.我们还讨论了AlN和GaN外延层的结晶质量和残余应力间的关系.

在6H-SiC衬底上用低压MOVPE法生长AlN和GaN的过程中用(AlN/GaN)多层缓冲层来控制残余应力(英文)

人们已提出用BAlGaN四元系材料制备紫外光谱区的光发射器件。GaN和AlN二元系是这种四元材料在器件应用中的基础材料。 6H SiC衬底在氮化物生长中因其晶格失配小是一大优势 ,而且SiC衬底的热膨胀系数也和AlN的很接近。然而 ,对于AlN外延层来说 ,需要控制其中的残余应力 ,因为在SiC衬底上直接生长的AlN外延层中存在着因晶格失配所产生的压缩应力。另一方面 ,在SiC衬底上直接生长的GaN外延层中存在着拉伸应力。这种拉伸应力起源于GaN比衬底有着更大的热膨胀系数。本文讨论了在 6H SiC衬底上生长的氮化物外延层中残余应力的类型、数量及控制。为此目的 ,提出了在 6H SiC衬底上 ,无论是生长AlN ,还是生长GaN ,都可以采用 (GaN/AlN)多层缓冲层的办法 ,作为控制残余应力的有效方法。我们还讨论了AlN和GaN外延层的结晶质量和残余应力间的关系。

双AlN插入层法在Si图形衬底上进行AlGaN/GaN HEMT的MOCVD生长

双AlN插入层方法被用来在Si(111)图形衬底上进行AlGaN/GaN高迁移率晶体管(HEMT)的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长。Si图形衬底采用SiO2掩膜和湿法腐蚀(无掩膜)两种方法进行制备。高温生长双AlN插入层用来释放GaN外延层和Si衬底之间由于晶格失配和热失配而产生的张应力。AlGaN/GaN HEMT的生长特性被讨论和分析。在使用优化的双AlN插入层之前,可以在图形[1-100]方向观察到比[11-20]方向更多的由于应力而引起的裂纹。这是由于GaN在(1-100)面比(11-20)更稳定。建议在图形设计中,长边应沿着[11-20]方向进行制备。拉曼测试显示在图形凹角处比凸角处有更大的拉曼频移,证明在图形凹角处有更大的张应力。

立方相GaN外延层的X射线四圆衍射分析

本文采用多功能四圆X射线衍射仪测绘出立方相GaN/GaAs(001）外延层的极图和倒易空间mapping，研究了六角相GaN和立方相微孪晶的取向、晶粒形状和极性等特征。结果表明外延层中片状六角相与立方相之间的取向关系为：（111）／／（0001）、＜112＞／／＜1010＞。由于（111）Ga面的外延速度远高于{111}N面，导致较多六角相和立方相微孪晶在[110]或[110]方向上的（111）Ga面和(111)Ga面上形成，而在[110]或[110]方向上六角相和立方相微孪晶含量较低。外延层中立方相微孪晶的含量明显低于六角相，表明六角相的形成可以更有效的释放局部应力集中。

SiC衬底上生长的GaN外延层的高分辨X射线衍射分析

通过高分辨X射线衍射(HRXRD)技术,对金属有机化合物气相外延(MOCVD)生长的GaN外延膜及SiC衬底的相对取向,晶格常数和应力情况,位错密度等进行了分析。分析表明,GaN和SiC具有一致的a轴取向,GaN外延层弛豫度超过90%,GaN外延层的晶格常数与体块材料相近,在GaN中存在压应力,SiC衬底和GaN外延层中的位错密度分别为107和108量级。

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。

低温AlN插入层的生长温度对AlGaN/GaN量子阱应力弛豫作用的影响

利用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)及原子力显微镜(AFM)研究了低温AlN插入层的生长温度对AlGaN/GaN量子阱应力弛豫作用的影响。结果表明,低温AlN插入层不同的生长温度会导致AlGaN/GaN量子阱不同的表面粗糙度及穿透位错密度,并且当生长温度达到640℃时样品中表面粗糙度及穿透位错密度达到最低,同时具有最高的载流子迁移率及带边发光峰强度。在不同的生长温度,低温AlN表面具有不同的表面形貌。不同的表面形貌将直接影响界面处位错主滑移系的开动及位错阻挡机制。通过分析可以得知,低温AlN不同的表面形貌是由于Al原子在不同温度下的不同的迁移机制造成。