N極性GaN基薄膜材料的外延生長及特性研究.pdf

1、由于具有突出的異質結特性且易于實現歐姆接觸，N極性GaN基材料在高電子遷移率晶體管(HEMT)、發光二極管(LED)以及光電探測器等領域具有廣泛的應用。然而由于c面藍寶石襯底與GaN基外延薄膜之間存在較大的晶格失配和熱失配，并且金屬原子在N極性GaN基外延薄膜表面的遷移能力較弱，使用金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)技術生長得到的N極性GaN基外延薄膜的晶體質量和表面形貌距離制備器件的需求還有一定差距。本文使用低壓MOCVD系統在

2、藍寶石襯底上進行了N極性GaN基外延薄膜的生長，對各種生長參數進行了優化，并對生長機理進行了系統研究，進而研發了用于N極性GaN外延薄膜生長的改進流量調制技術。
　　本文的主要研究內容和成果如下:
　　(1)通過實驗研究，充分優化了影響N極性GaN外延薄膜生長的主要參數，如襯底取向、氮化溫度、成核層生長溫度及時間、生長Ⅴ/Ⅲ比和外延層厚度等。通過使用c面藍寶石和c面偏m面2°的藍寶石襯底生長N極性GaN外延薄膜的實驗研究，結

3、果表明使用具有斜切角的藍寶石襯底生長N極性GaN外延薄膜能夠有效消除N極性GaN外延薄膜表面的六方缺陷，又同時引入了具有臺階狀的表面形貌，有利于實現二維模式生長。通過實驗優化了N極性GaN外延薄膜的各種生長參數，實驗結果表明:當氮化溫度為950℃，GaN成核層在470℃以上的溫度生長，退火時間為10分鐘，生長Ⅴ/Ⅲ比為512時，生長得到的N極性GaN外延薄膜具有最好的晶體質量。另外，通過對N極性GaN外延薄膜生長厚度的實驗研究發現，N極

4、性GaN外延薄膜表面的六方缺陷密度隨著外延薄膜生長厚度的增大而減小。最后，通過實驗驗證了堿溶液腐蝕方法對N極性GaN外延薄膜極性判斷的有效性。
　　(2)充分分析了現有流量調制技術的特點和優勢。結合N極性GaN外延薄膜生長的特點，并通過N極性GaN外延薄膜的生長實驗，研發了一種改進的流量調制技術。改進的流量調制生長方法大幅度提高了N極性GaN外延薄膜的晶體質量，表現在將N極性GaN外延薄膜的X射線搖擺曲線(XRC)半高寬值降低至2

5、20 arcsec，因而大幅度降低了N極性GaN外延薄膜中的位錯密度。另外，對所有生長的N極性GaN外延薄膜樣品的光學和電學性能進行了系統的研究，結果表明改進的流量調制生長方法能夠實現對低溫GaN成核層表面形貌的有效控制，特別是在間隔通入Ga源的中斷時間為4s時，能夠顯著地降低N極性GaN外延薄膜的非故意摻雜濃度和穿透型位錯密度，進而降低了本征載流子濃度，提高了載流子的遷移率，增強了本征發光強度并且降低了缺陷引起的藍帶發光的強度。

6、>　　(3)全球首次使用MOCVD技術在c面藍寶石襯底上生長了Al組分約為10％的N極性AlGaN外延薄膜，并深入研究了氮化時間對N極性AlGaN外延薄膜的表面形貌、晶體質量、電學性能及光學性能的影響，同時對其生長條件與生長機理進行了深入的分析。實驗發現:當氮化時間為3.5 min時，生長所得的N極性AlGaN外延薄膜的表面六方缺陷尺寸最小，晶體質量最高。另外，由于氧雜質與碳雜質的并入得到了有效抑制，因而獲得了具有較低的背景載流子濃度的