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。

高掺杂低位错p型GaN材料生长研究

对采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在SiC衬底上生长的p型GaN材料进行了研究。p型GaN材料通常采用Mg掺杂来实现,但Mg有效掺杂量的增加会导致材料的空穴浓度提高,表面粗糙度变大、位错密度增加。采用Delta掺杂方式,在Cp_(2)Mg通入量一定的情况下,通过对温度、压力以及Delta掺杂过程中TMGa通入时间的调控实现了对p型GaN材料掺杂浓度与表面粗糙度和位错密度之间的平衡优化。结果显示,生长温度1150℃、生长压力400 mbar(1 mbar=100 Pa)、TMGa通入时间40 s的样品均方根表面粗糙度为0.643 nm,(002)晶面半高宽(FWHM)为176.8 arcsec,空穴迁移率为11.8 cm^(2)/(V·s),空穴浓度为1.02×10^(18)cm^(-3),实现了电学性能与晶体质量的平衡。

石墨烯插入层对蓝宝石上GaN材料的应力调制

较大的晶格失配和热失配使得异质外延生长的GaN材料具有很高的残余应力,对材料和器件的性能产生重要影响。在蓝宝石衬底和GaN外延层之间插入一层石墨烯,通过Raman光谱和弯曲度测试分析了石墨烯插入层对GaN材料应力的影响。Raman测试结果表明,蓝宝石衬底上GaN材料压应力为0.56 GPa,引入石墨烯插入层后GaN材料压应力为0.08 GPa。弯曲度测试结果表明无石墨烯插入层的蓝宝石上GaN材料弯曲度约为21.74μm,引入石墨烯插入层后弯曲度约为1.39μm,引入石墨烯插入层的GaN材料弯曲度显著降低。讨论了石墨烯插入层对蓝宝石上GaN材料的应力调制机制,验证了石墨烯插入层技术对于异质衬底上获得完全弛豫GaN外延层的可行性。

高阻硅衬底的高质量Ⅲ族氮化物外延及其研究

GaN器件因为特殊的2DEG(形成密度高达2×10^(13)cm^(-2))的高电子密度和高迁移率,在高频高压大功率微电子器件领域具有很大的应用前景。在本文的研究中,通过使用MOCVD(金属有机化学气相沉积系统)成功地在8英寸高阻硅衬底上外延生长出AlGaN/GaN HEMT薄膜材料,实验结果表明外延片光滑均匀无裂纹、翘曲度较低、结晶质量好、传导性佳,并且抗击穿能力强。

Si衬底上外延生长GaN基射频电子材料的研究进展

Si衬底因兼具大尺寸、低成本以及与现有CMOS工艺兼容等优势,使Si衬底上GaN基射频(RF)电子材料和器件成为继功率电子器件之后下一个该领域关注的焦点。由于力学性质与低阻Si衬底不同,高阻Si衬底上GaN基外延材料生长的应力控制和位错抑制问题仍然困难,且严重的射频损耗问题限制着其在射频电子领域的应用。本文简要介绍了Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状和面临的挑战,重点介绍了北京大学研究团队在高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗的产生机理,以及低位错密度、低射频损耗GaN的外延生长等方面的主要研究进展。最后对Si衬底上GaN基射频电子材料和器件的未来发展作了展望。

不同Mo层厚度的AlN/Mo/Sc_(0.2)Al_(0.8)N复合结构上MOCVD外延GaN

采用脉冲直流磁控溅射法在Si(100)衬底上制备了AlN/Mo/Sc_(0.2)Al_(0.8)N复合结构薄膜,在该结构上通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术进行GaN薄膜的外延。使用原子力显微镜、高分辨X射线衍射、粉末X射线衍射、扫描电子显微镜和拉曼光谱研究了Mo插入层的厚度对Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层和GaN外延层晶体质量的影响,研究了Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层对Mo上生长的GaN外延层的影响。研究结果表明,Mo插入层的厚度是影响Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层和GaN外延层的重要因素,Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层对Mo上GaN晶体质量的提高具有重要意义。随Mo厚度的增加,Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层的表面粗糙度先减小后增大,GaN外延层的(002)面X射线衍射摇摆曲线半峰全宽先减小后增大。当Mo插入层厚度为400 nm时,GaN外延层的晶体质量最好,GaN(002)面的X射线衍射摇摆曲线半峰全宽为0.51°,由拉曼光谱计算得到的压应力483.09 MPa;直接在Mo上进行GaN的外延,GaN(002)面的X射线衍射摇摆曲线半峰全宽无法测得,说明在Mo上进行GaN的外延需要Sc_(0.2)Al_(0.8)N缓冲层。

石墨烯上异质远程外延GaN的研究

远程外延是一种用于生产单晶、独立式薄膜和结构的新兴技术,该方法使用二维范德瓦耳斯材料作为半透明夹层,实现外延生长及外延层在二维层界面的剥离。本文研究了在蓝宝石衬底上利用单层石墨烯作中间层异质远程外延GaN成核层、GaN薄膜。结果表明,GaN成核岛具有良好的取向,通过参数调整,可实现致密的GaN成核层。AFM和XRD测试结果证实,与同样条件下蓝宝石衬底上直接生长的GaN薄膜相比,石墨烯上异质远程外延得到的GaN薄膜具有更低的表面粗糙度和位错密度。

基于MOCVD欧姆再生长制备的高性能AlGaN/GaN HEMTs

本文基于MOCVD欧姆再生长技术,制备了高性能的AlGaN/GaN HEMTs。器件具有0.16Ω·mm的低欧姆接触电阻,并且在100K到425K的温度范围内,欧姆接触电阻表现出良好的热稳定性。由于欧姆接触电阻的改善,源漏间距L_(sd)为2μm,栅长L_(g)为100nm的器件的最大饱和电流密度I_(D,max)为1350mA/mm,跨导峰值G_(m,max)为372mS/mm,导通电阻R_(on)为1.4Ω·mm,膝点电压V_(knee)为1.8V。此外,器件也表现出优异的射频特性,电流增益截止频率f_(T)为60GHz,最大振荡频率f_(max)为109GHz,在3.6GHz下,V_(DS)偏置在15V,器件的功率附加效率PAE为67.1%,最大输出功率密度P_(out)为3.2W/mm;在30GHz下,V_(DS)偏置在20V,功率附加效率PAE为43.2%,最大输出功率密度P_(out)为5.6W/mm,这表明了基于MOCVD欧姆再生长技术制备的AlGaN/GaN HEMTs器件在Sub-6G以及毫米波波段的应用中具有巨大潜力。

多缓冲层对MOCVD生长的GaN性能的影响

采用多低温缓冲层法和高低温联合缓冲层法在 MOCVD系统上生长 Ga N外延膜 .对薄膜进行了 X射线衍射和光致发光谱 (PL)测试 ,(0 0 0 2 ) X射线摇摆曲线和 PL 谱的半高宽与常规的单低温缓冲层法制备的薄膜相比均有不同程度的改善 .实验结果表明改进的缓冲层法能提高

MOCVD生长的GaN单晶膜的蓝带发光研究

对实验室用 MOCVD方法生长的未掺杂 Ga N单晶膜的发光性能进行了研究。结果表明 :在室温时未掺杂 Ga N单晶出现的能量为 2 .9e V左右蓝带发光与补偿度有较强的依赖关系。高补偿 Ga N的蓝带发射强 ,低补偿 Ga N的蓝带发射弱。对蓝带发光机理进行了探讨 ,认为蓝带为导带电子跃迁至受主能级的发光 ( e A发光 )。观察到降低 Ga N补偿度能提高 Ga N带边发射强度。

量子阱结构对GaN基紫光二极管性能的影响

采用不同MQW结构在MOCVD系统上生长UV-LED外延片。对样品进行了X射线衍射、电注入发光(EL)和光致发光谱(PL)测试,通过优化LED器件材料的生长条件,获得了光发光特性一般而电发光特性优良的高质量多量子阱紫光LED外延片。

MOCVD生长P型GaN的掺Mg量的研究

使用 MOCVD技术在 Al2 O3衬底上生长了 Ga N∶ Mg薄膜 .通过对退火后样品的光电性能综合分析 ,研究了掺 Mg量对生长 P型 Ga N的影响 .结果表明 :要获得高空穴载流子浓度的 P型 Ga N,Mg的掺杂量必须控制好 .掺 Mg量较小时 ,Ga N∶ Mg单晶膜呈现 N型导电 ,得不到 P型层 ;掺 Mg量过大时 ,会形成与 Mg有关的深施主 ,由于深施主的补偿作用 ,得不到高空穴浓度的 P型 Ga N.生长 P型 Ga N的最佳 Cp2 Mg/TMGa之比在 1 /660— 1

MOCVD生长GaN:Si单晶膜的研究

获得高质量的ｎ型ＧａＮ单晶膜是制作ＧａＮ基光电子器件的关键之一。采用立式ＭＯＣＶＤ系统生长ＧａＮ：Ｓｉ单晶膜，通过优化生长工艺，获得了电子载流于浓度高达２ ×１０１９ｃｍ－３，迁移率达１２０ｃｍ２／Ｖ·ｓ的ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ单晶膜；并有效地抑制了ＧａＮ中由深能级引起的黄带发射，大大提高带边发光强度。研究结果还表明：随着Ｓ掺杂量的增大，ＧａＮ：Ｓｉ单晶膜的电子载流于浓度增加，迁移率下降，Ｘ光双晶衍射峰半高宽增大。首次报道了随掺Ｓ量增大，ＧａＮ：Ｓｉ单晶膜的生长速率显著下降的现象。

GaN-MOCVD设备反应室流场的CFD数值仿真

采用计算流体力学方法对生长半导体材料 Ga N的重要设备 MOCVD(金属有机物化学气相沉积 )反应室中的流场结构进行了三维数值仿真 .数值模拟采用基于非交错网格系统的 SIMPL E算法 ,用有限体积方法对控制方程进行离散 ,并采用改进的压力 -速度耦合方法进行求解 .数值仿真给出了具有复杂几何结构和运动方式的 Ga N-MOCVD反应室中的流场结构 ,研究了改变几何尺寸和运行参数对 MOCVD反应室流场结构的影响 ,对正在试制开发中的 MOCVD设备的几何结构的改进和运行参数的优化提出了指导性建议 .

高质量GaN薄膜的MOCVD同质外延生长

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在GaN自支撑衬底上同质外延生长了GaN薄膜,得到高质量的GaN外延薄膜。X射线衍射(XRD)结果显示其(002)面摇摆曲线半高宽小于100弧秒,原子力显微镜(AFM)照片上能看到连续的二维台阶流形貌,其表面粗糙度小于0.5 nm,其位错密度低于106cm-3。

MOCVD水平式反应器中热泳力对沉积过程中反应前体浓度分布的影响分析及数值模拟

在MOCVD反应器中,针对GaN生长中的TMGa分子,推导出热泳力、热泳速度以及扩散速度的计算公式。在低温区,热泳速度大于扩散速度;在高温区则相反。影响热泳力的主要因素为温度梯度和分子直径。水平式反应器内,粒子同时受到热泳速度和扩散速度的影响。在只考虑组分输运以及包括化学反应等两种情况下,通过改变反应器上壁面温度,模拟得到水平式反应器中热泳力对沉积速率以及反应物粒子浓度分布的影响。并与文献中的实验数据对比,验证了模拟结果的正确性。结果显示,由于热泳力的影响,在相同操作条件下高温区H2等小直径粒子的质量分数增大、TMGa和NH3等大分子粒子的质量分数减小。从提高生长速率的角度,需减小上下壁面温度梯度;从沉积均匀性的角度,应使到达下游的反应粒子数增多,故需增大上下壁面温度梯度。

喷淋式GaN-MOCVD反应室的CFD数值仿真及优化

利用计算流体力学(CFD)方法对某型立式喷淋式金属有机物化学气相沉积(MOCVD)反应室流场进行了三维数值仿真,研究了影响MOCVD反应室流场结构的各工作参数(流量、温度、压力)的作用机制,并对试制中的MOCVD设备的几何结构及进气方式进行了改进,采用了圆弧形过渡拐角及泊肃叶型入口速度剖面,以形成稳定均匀的流场,从而保证氮化镓(GaN)的生长质量。

立方GaAs(100)衬底上制备单相六方GaN薄膜

立方 Ga As (10 0 )衬底上制备的 Ga N薄膜多为立方结构且立方相为亚稳相 ,采用水平常压 MOCVD方法在立方 Ga As (10 0 )衬底上制备出了 Ga N薄膜 . XRD测试表明 ,薄膜具有单一的相 .结合对工艺条件的分析 ,认为薄膜具有六方结构 .最后 ,通过 Raman光谱测试 ,证实在立方 Ga As衬底上制备出了单相六方 Ga N薄膜 .还对立方 Ga As衬底上制备出六方 Ga

常压MOCVD生长ZnO/GaN/Al_2O_3薄膜及其性能

以去离子水(H2O)和二乙基锌(DEZn)为源材料,生长温度是680℃时,利用常压MOCVD在GaN/A l2O3模板上成功生长了ZnO单晶薄膜,用原子力显微镜(AFM)、X射线双晶衍射(DCXRD)、光致发光谱(PL)对ZnO薄膜的表面形貌、结晶学性质、光学性质作了综合研究。双晶衍射表明,ZnO非对称(101-2)面ω扫描的半峰全宽(FWHM)仅为420 arcsec,估算所生长ZnO膜的位错密度大约为108/cm2量级,这与具有器件质量的GaN材料的位错密度相当。在ZnO薄膜的低温15 K光荧光谱中,观察到很强的自由激子和束缚激子发射以及自由激子与束缚激子的多级声子伴线。

国产SiC衬底上利用AlN缓冲层生长高质量GaN外延薄膜

采用高温AlN作为缓冲层在国产SiC衬底上利用金属有机物化学气相外延技术生长GaN外延薄膜。通过优化AlN缓冲层的生长参数得到了高质量的GaN外延薄膜,其对称(0002)面和非对称(1012)面X射线衍射摇摆曲线的半峰宽分别达到130 arcsec和252 arcsec,这是目前报道的在国产SiC衬底上生长GaN最好的结果。文中研究了AlN缓冲层生长参数对GaN晶体质量的影响,还利用拉曼散射研究了GaN外延薄膜中的应力,发现具有越小X射线衍射摇摆曲线半峰宽的GaN外延薄膜受到的张应力也越小。