（材料物理与化学专业论文）硅衬底氮化镓生长的研究.pdf

华南师范人学硕。；：学位论文 1 1 1 1 1 111 1 1 1 1i ii i i i iqlll y 17 6 8 2 9 5 秒时a i n 缓冲层的晶体质量出现下降，同时边缘表面也出现了金属花纹。另 外，没有经过铝预处理的g a n 样品，其表面布满裂纹，出现金属回熔点。经 过恰当的铝预处理以后，g a n 的表面已经观察不到明显的裂缝了，而且金属 回熔点也没有了，不过，过量的铝预处理时间会直接影响缓冲层的生长，在 缓冲层能观察到由铝形成的金属花纹，g a n 外延层布满了裂缝，而且也出现 金属回熔花纹，严重降低g a n 的晶体质量。 2 、研究了s i 表面图形对g a n 生长的影响，我们发现，没有经过腐蚀， 表面只有二氧化硅掩模的样品，其( 0 0 2 ) 面x 射线衍射峰值半高宽比较大， 裂纹在合并的地方出现了中断，当刻蚀的槽深为o 1 微米时，由于刻蚀深度 不够，g a n 很容易会生长在槽里边，造成了裂纹的产生与光学性能的下降， 其光致发光光谱中的黄带峰比较高，表明有一定的深能级物质渗透到g a n 外 延层，我们认为是硅在高温下的蒸发。不过当槽深达到o 3 微米时，光学性 能得到了改善。另外，该样品的晶体质量也比较好。当槽深达到o 5 微米时， 虽然表面的裂纹得以减少了，但是( 1 0 2 ) 面x 射线的峰值半高宽明显增大， 表明该样品的位错密度急剧上升，这种论断在原子力扫描图像中得到了进一 步证实。 3 、研究了非掺杂g a n 表面平整度对l e d 器件性能的影响，我们认为， 除了晶体质量，位错密度能影响器件的电学性能以外，通过调节生长模式， 能够控制非掺杂g a n 层的表面状态，从而控制它的表面平整度，也能影响器 件的性能。 关键词：硅衬底；m o c v d ；g a n ；三甲基铝；x 射线双晶衍射 i i 华南师范大学硕： ：学位论文 a b s t r a c t s t u d y in go ft h ep r o p e r tie so fg a no nsi m a j o r ：m a t e r i a lp h y s i c s & c h e m i s t r y n a m e ：j i a n x i n gc a o s u p e r v i s o r ：s h u til i a b s t r a c t i n19 9 3 ，t h ef i r s tb l u el e da p p e a r e d ，a n dt h ef i r s tw h i t el e d a p p e a r e di n 19 9 6 a st h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y , g a n - b a s e dl e dh a sm a d eal o to f b r e a k t h r o u g h s b a s e do nt h e s er e m a r k a b l eb r e a k t h r o u g h s ，n i c h i aa n n o u n c e dt h e g a nb a s e db l u el e dw h i c hi s c o m m e r c i a l l ya v a i l a b l ei n 19 9 5 ，a n da c t u a l l y e n d e dt h eh i s t o r yo fn o n - b l u es o l i d s t a t el i g h ts o u r c e i tc o u l db ef o r e c a s t e dt h a t t h en e w g e n e r a t i o no f s o l i d s t a t el i g h t i n gw o u l dr e p l a c et h ec o n v e n t i o n a ll i g h t i n g n o w , t h em o s t l yu s e ds u b s t r a t e si nt h em a r k e ta r es a p p h i r ea n dc a r b o r u n d u m ，t h e s a p p h i r es u b s t r a t eu s e dt h em o s tw i d e l yb e c a u s eo ft h em a t u r eg r o w t ht e c h n o l o g y h o w e v e r , d u et og r e a ti n t e r e s t si nc o m m e r c i a lg r o w t hf o rl a r g es i z ew a f e r sa tl o w c o s t ，g a nf i l m sg r o w no ns i ( 111 ) h a v ea t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s t s r e c e n t l y , s o m e g r o u p sr e p o r tg a nf i l m sa n dg a n - b a s e dd e v i c e sg r o w no ns is u c c e s s f u l l y a sw e k n o w , h i g hq u a l i t yg a nf i l m sg r o w no ns ia r en e c e s s a r yt oh i g hp e r f o r m a n c e g a n b a s e dd e v i c e s h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt og e tt h ec r a c k - f r e eg a nf i l m so ns i s u b s t r a t ed u et ot h e l a r g em i s m a t c hi nl a t t i c ec o n s t a n t ( 17 ) a n dt h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ( 5 4 ) b e t w e e ng a n a n ds i r e c e n t l y , s o m er e s e a r c hg r o u p s h a v es t u d i e dt h eg a nf i l m sg r o w no ns is u b s t r a t e ，s o m eb r e a k t h r o u g h sa r e o b t a i n e d a l t h o u g hg a nb a s e dd e v i c e sh a v e b e e np r o d u c e d ，t h eg r o w t h m e c h a n i s mo fg a no ns is u b s t r a t es t i l ln e e d st ob er e s e a r c h e d t h eg a ne p i l a y e r sw e r eg r o w no ns i ( 111 ) s u b s t r a t ei nam o c v ds y s t e m w i t ht h et h o m a ss w a nc l o s e l y - s p a c e ds h o w e r h e a dr e a c t o ri nt h e s ew o r k o p t i c a l p r o p e r t i e so ft h eg a nf i l m sw e r es t u d i e db yp h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) s t r u c t u r a l p r o p e r t i e so fa 1 nb u f f e rl a y e r sa n dg a nl a y e r sw e r ei n v e s t i g a t e db yd o u b l e c r y s t a lx - r a yd i f f r a c t i o n ( d c x r d ) t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t ya n dr m sr o u g h n e s s w e r em e a s u r e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) a n dt h es u r f a c em o r p h o l o g y t i t 华南师范大学硕二l 二学位论文 a b s t r a c t w a se x a m i n e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e t h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e sw e r em e a s u r e db y v a n d e rp a u wh a l lm e t h o da tr o o mt e m p e r a t u r e i no u rw o r k ，t h ei n f l u e n c eo ft h e a ip r e - d e p o s i t i o no nt h ep r o p e r t i e so fa i nb u f f e rl a y e ra n dg a nl a y e rg r o w no n t h es i ( 11 1 ) s u b s t r a t ew a si n v e s t i g a t e d ，a n da l s ot h ei n f l u e n c eo fs ip a t t e r n s u b s t r a t eo nt h ep r o p e r t i e so fg a nw a ss t u d i e d b e s i d e st h e s e ，i nt h es a p p h i r e s u b s t r a t e ，w er e s e a r c h e dt h es u r f a c ef l a t n e s so ft h eu n d o p e dg a nh a ss o m e t h i n g t od ow i t ht h ep r o p e r t i e so ft h eb l u el i g h t e m i t t i n gd i o d ew a f e r s o m ee n c o u r a g i n g r e s u l t sa r ef o l l o w i n g 缌： 1 、r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o p e r t i e so fa l nb u f f e rl a y e ra n dg a nl a y e r w e r el a r g e l yi n f l u e n c e db ya 1p r e - d e p o s i t i o nt i m e c o m p a r e d 、析t l lt h es a m p l e w i t h o u ta 1p r e d e p o s i t i o n , o p t i m u ma ip r e d e p o s i t i o nt i m ec o u l di m p r o v et h ea 1 n b u f f e rl a y e r , g a nl a y e rc r y s t a lq u a l i t ya n dt h er m s r o u g h n e s s 2 、t h es ip a u e m e ds u b s t r a t ep l a ya ni m p o r t a n tr u l ei nt h eg a nl a y e r w h i l e t h ed e p t ho ft h ep a t t e r nr e a c h0 3 i - t m , o p t i c a lp r o p e r t i e so fg a nl a y e rw a s i m p r o v e da n dt h ec r y s t a lq u a l i t yw a sg o o d 3 、t h ei n f l u e n c eo fu n d o p e dg a ns u r f a c ef l a t n e s so nt h ep r o p e r t i e so ft h e b l u el i g h t - e m i t t i n gd i o d ew a f e r r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em q w q u a l i t y , r e v e r s e l e a k a g ec u r r e n t ，e s dc h a r a c t e r i s t i c s a n dl i f e t i m eo fl e d sa r eo b v i o u s l y i n f l u e n c e db yt h es u r f a c ef l a t n e s so fu n d o p e dg a n k e yw o r d s ：s is u b s t r a t e ；m o c v d ；g a n ；t m a l ；d c x r d ；a f m ；p l i v 华南师范大学硕i ：学位论文 目。录 。 第一章绪论。1 1 1 引言1 1 1 1g a n 的物理化学性质2 1 1 2g a n 基材料的应用3 1 2g a n 基l e d 的研制4 1 3 半导体、荧光灯和白炽灯性能比较分析4 1 4 当前g a n 基材料的衬底研究概况5 1 4 1 蓝宝石衬底6 1 4 2 碳化硅衬底6 1 4 3 硅衬底7 1 4 4 氮化镓本征衬底7 第二章硅衬底g a n 材料研究进展8 2 1 目前面临的困难8 2 1 1 热应力失配8 2 1 2 位错密度8 2 2 硅衬底g a n 基材料研究的最新进展8 2 2 1 缓冲层设计8 2 2 2 衬底的设计9 2 2 3 电学元器件的研究1o 2 2 4 非极性g a n 材料的生长1 0 第三章测试与分析1 2 v 目最 3 1x 射线双晶衍射测试1 2 3 2 表面形貌分析13 3 3 光致发光( p l ) 光谱测量系统1 3 3 3 霍尔测量系统1 4 第四章m o c v d 方法与g a n 生长机理1 5 4 1m o c v d 的生长技术15 4 1 1 源气体处理部分15 4 1 2 有机金属源挥发系统1 6 4 1 3 生长室的结构，1 7 4 1 4 在位监测系统19 4 1 5 尾气处理系统2 0 4 1 6 控制系统2 0 4 1 7 制备方法2 0 第五章铝预处理对硅衬底上g a n 材料的特性的影响2 1 5 1 实验背景2 1 5 2 实验过程2 1 5 3 实验结果分析2 2 5 4 小结2 6 第六章硅图形衬底对g a n 材料性能的影响2 7 6 1 硅图形衬底的意义2 7 6 2 硅图形衬底生长机理2 7 6 3 硅图形衬底制备2 7 v i 华南师范人学硕士学位论文 目录 6 4 硅图形衬底结臬分析- 2 8 6 5 小结一3 2 第七章非掺杂g a n 平整度对g a n 基l e d 性能的影响 ：；：； 7 1 样品结构3 3 7 2 实验结果分析3 3 7 3 小结3 7 结论。3 8 参考文献3 9 致 射4 3 作者攻读学位期间发表的学术论文目录4 4 v i i 华南师范人学硕j ：学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 第一代以硅为原材料的半导体使计算机技术发展到了一个前所未有的高 度，第二代以g a a s 为代表的化合物半导体使手持设备小型化得以实现。作 为第三代化合物半导体，g a n 基半导体材料具有宽带隙、高电子漂移速度、 高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等突出优点，特别适合制作 高频、高效、高温、高压、大功率微波器件，基于g a n 的a 1 g a n g a nh e m t 器件具有输出功率密度大、耐高温、抗辐射等特点【i l ，能满足下一代电子装 备对微波功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣条件高温度下工 作的要求。 自从1 9 9 2 年日本中村修二研制成功第一支g a n 基高性能发光二极管以 来，g a n 材料经历了从研究到产业化的飞跃，并且引领了第二次照明革命， 在节能减排中发挥着重大作用。 纵观l e d 的发展历史，根据l e d 发光材料体系、主要制作技术、产品 性能、应用领域等方面，可以将l e d 的发展历史分为四个阶段：第一阶段 是从上世纪6 0 到8 0 年代初，使用间接带隙半导体材料g a a s p 、g a p ；采用氢 化物气相外延( h v p e ) 和液相外延( l p e ) 进行外延生长；实现了g a a s p n 较短波长的l e d 光发射：同时改变g a p 材料的掺杂，实现了g a p 系材料 红光和黄绿光l e d 的商品化第二阶段从上世纪8 0 年代初到9 0 年代初，出 现了直接带隙g a a l a s 三元系材料，有源层从同质结，发展到异质结、双异 质结，液相外延( l p e ) 技术更加成熟，红色和红外高亮度l e d 取得突破，外 量子效率达到8 ，流明效率接近1 0l m w 第三阶段主要是上世纪最后十年， 1 9 9 1 年东芝公司和h p 公司分别研制出g a a i l n p 红、橙超高亮度l e d ，1 9 9 2 年上述两家公司又分别使g a a i l n p 黄色( 5 9 0 n m ) 以及更短一些波长( 5 7 3 n m ， 黄绿色) l e d 得以实现1 9 9 3 年n i c h i a 公司中村修二利用g a n 基材料和双 气流m o c v d 技术【l 】，开发出蓝光( 4 5 0 n m ) l e d ，很快又推出商品化的绿 光( 5 0 5 n m ) l e d ，实现了全彩化和超高亮度化这一阶段使用了直接带隙 l 华南师范人学硕 ：学位论文第一章绪论 g a a i i n p 、i n g n n 材料，将m o c v d 和m b e 引入l e d 的研究和生产，其中 m o c v d 适用于大批量生产，m b e 能够精确控制膜层厚度，是研制、试验新 型发光层结构的有力手段，这两种技术在l e d 领域的应用使得各种复杂结 构的生长成为可能；新的发光层结构和器件层出不穷，如单量子阱、多量子阱、 布拉格反射层、透明电极、梯形切割等，大大提高了l e d 光产生和提取效 率，部分颜色l e d 的流明效率已经达到1 0 0l “w 以上，超过了白炽灯。目 前，正处于l e d 技术的第四阶段，发展的目标是高效率、全固态、环保型 l e d ，推进l e d 在照明领域的应用。这一阶段的工作除了继续提高l e d 发 光效率之外，还需要解决荧光粉的匹配( 白光) ，大功率l e d 芯片生长与制 备、功率型l e d 的散热、新的器件结构、尤其要解决新型衬底研发问题。 虽然g a n 光电器件在不断向前发展，但是还是存在不少机制尚待研究， 如发光机理，位错密度很高然而发光效率却远远超越第二代化合物半导体。 衬底的选择，由于蓝宝石衬底的高昂价格，使得蓝光g a n 器件的成本难以下 降，严重影响了固体照明的推广。硅材料由于其成本低廉，容易导电等性质， 已经越来越受到业界的重视。近年来，国内外多次报道了在硅衬底上成功生 长出g a n 材料与器件的成果。 1 1 1g a b l 的物理化学性质 g a n 是一种白色或微黄色粉末。具有很高的化学稳定性，不溶于水，不 与水和浓无机酸反应，稍与稀酸作用，缓慢与碱液反应，空气中加热8 0 0 开始氧化，生成氧化镓。1 0 5 0 开始分解。产业上一般使用金属有机物化学 气相淀积法( m o c v d ) 生长出g a n 薄膜。 g a n 是一种坚硬的高熔点材料，同时具有很高的电离度，氮化镓有两种 化合物形态存在，为纤锌矿和闪锌矿【2 1 ，一般生长的g a n 材料都属于纤锌矿 结构。纤锌矿g a n 材料熔点2 5 0 0 ，由于具有a 轴跟c 轴，因此不同方向 上热膨胀系数不一样，a 轴的系数为5 5 9x1 0 咱k ，c 轴为3 1 7x1 0 6 k 。 未经掺杂的g a n 都是n 型的，这样的氮化镓材料其背景电子浓度达 1 0 1 7 c m 3 ，由此，通过掺s i ，很容易实现g a n 的1 1 型化。室温下电子迁移率也 超过3 0 0 c m 2 v s 。由于g a n 具有很强的原子键，其键能很大，具有很高的 稳定性和长寿命，在高温、大功率以及强辐射领域，其电学性能非常好，现 2 华南师范大学硕 ：学位论文 第一章绪论 在做成韵m s f e t 可以工作于3 0 0 4 0 0 。g 高温中。 纤锌矿g a n 折射率为2 3 3 到2 6 7 之间，它的数值比较大，因此比较容 易实现全反射，这对于l e d 的封装有一定的影响，但可以通过光路设计来实 现出射光亮度的最优化。g a n 的禁带宽度为3 4 5 e v ，为直接带隙，可以制作 成高亮度的蓝光发光器件，由此可以弥补三原色的缺陷，可以制成全白光 l e d ，以及高亮度的l e d 全彩显示屏。而且，由于g a n 在3 6 5 n m 波段具有 很强的截止响应特性，因此它在紫外光探测方面具有很高的灵敏度。 另外，其室温下光致发光光谱出现两个波峰，分别是处于3 7 0 n m 的本征 光谱和5 8 0 n m 的黄光，可能由于深能及缺陷引起，也可能由g a 空位引起。 另据报道【3 】，m o c v d 生产的g a n 还有一个4 2 0 n m 左右的蓝带发射，文献认 为，g a n 室温蓝带发光与补偿度有着强烈的依赖关系，高补偿的g a n 蓝带 发射强，低补偿的蓝带发射弱，蓝带与受主有关，为导带电子跃迁到主能级 发光，这受主可能由某种缺陷引起，由此可以降低g a n 的补偿度，从而改善 g a n 的发光性能。 1 1 2g a l q 基材料的应用 l e d 灯：就照明质量来说，由于l e d 光源没有热量、紫外与红外辐射， 对展品或商品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置， 照明系统简单，费用低廉，易于安装。其精确的布光，可作为博物馆光纤照 明的替代品。商业照明大都会使用彩色的l e d ，室内外装饰性的白光l e d 结合室内装修为室内提供辅助性照明，暗藏光带可以使用l e d ，对于低矮的 空间特别有利。 l e d 显示屏：户内外全彩色三色双基色单色显示幕、全色三色单色 显示幕、资讯显示板、计分板等。全彩色l e d 显示屏是当今世界上最为引人 注目的户外大型显示装置，采用先进的数字化视频处理技术，有无可以比拟 的超大面积与超高亮度。根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素， 实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。它可以动态显示图文动 画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件。 g a n 半导体激光器：蓝色激光器( l d ) 将对i t 业的数据存储产生革命 性的影响。蓝光l d 因具有波长短、体积小、容易制作高频调制等特点，将 3 华南师范人学硕i ：学位论文第一章绪论 取代目前的红外光等激光器( 目前的v c d 和d v d 的激光光头为红外光源) ， 在民用领域有着很大的潜在市场。 1 2g a n 基l e d 的研制 l e d 的研制涉及外延生长，芯片制造以及封装工艺三大部分。外延的产 业化生产主要采用m o c v d 技术，在衬底表面依次淀积多层薄膜结构。芯片 制造主要采用光刻与镀膜等技术对外延片进行加工，使其成为一颗颗独立的 发光单元。最后的封装工艺是对切割下来的芯片使用环氧树脂进行封装，并 且对芯片进行引线，从而把芯片做成l e d 器件。最后的l e d 示意图如图 1 - 1 。 n i l a u l t o g a n ：m g a i g a n ：m g i n g a n g a nm q w s t j ，a u g a n ：s i u g a n b u f f e rl a y e r a 1 2 0 3 图1 1 一种l e d 的结构 1 3 半导体、荧光灯和白炽灯性能比较分析 爱迪生将人们带入白炽灯时代，而半导体照明的出现，将给长达1 2 0 多 年的“钨丝统治”时代划上句号。节能、环保将是未来社会工业发展的主流， 半导体照明在节能、环保方面极具发展潜力。普通的白炽灯采用的是热发光 技术，其以发热的形式浪费了9 0 的能源，属“二次光源”，而半导体照明灯 属“一次光源”，其耗电量远远低于白炽灯。半导体已在电子领域完成了次 4 华甬师范人学硕：l ? 学位论文第一章绪论 。 革命，而另一次革命就在照明领域。 同传统的照明方式荧光灯、白炽灯相比，半导体照明具有其独特的 特点及优势。如下表1 1 所示： 表1 - 1 半导体、荧光灯和白炽灯性能比较分析 发光二极管白炽灯日光灯 色温( k )可调 2 5 0 0 、3 0 0 03 0 0 0 1 0 0 0 0 类型冷发光热发光气体发光 寿命( h ) 1 0 0 0 0 01 0 0 01 0 0 0 0 反应时间 1 0 l o o n sl o o m s1 0 0 a s 可见光辐射能 1 0 1 2 5 2 3 量 红外辐射能量 0 9 0 3 6 紫外辐射能量 0 0 9 60 9 6 辐射能量总和 1 0 、1 2 9 5 5 9 热能 8 8 、9 0 5 4 l 反应时间较快，含有 省电，耐震动，反反应时间慢， 优缺点汞会产生污染且易 应时间快，价格高耗电，易碎 碎 1 4 当前g a n 基材料的衬底研究概况 由于g a n 单晶材料研制十分困难，因此现有的技术主要是使用异质外延 进行g a n 基材料的生长。所以在l e d 外延片的研制过程中，衬底的选择非常 重要。对于g a n 材料来说，主要要求如下： l 、衬底应该跟外延材料的晶格常数相匹配，晶格失配越低，缺陷密度越 小。 2 、能与外延材料结合成紧密的薄膜，黏附性强。 3 、热学性能好，与外延材料热失配小，在外延材料的生长温度具有良好 s 华南师范人学硕 ：学位论文 第一章绪论 的热稳定性。 4 、光学性能良好，对器件发出的光吸收要小。 5 、机械性能好，易于加工，还要容易实现大尺寸生长，另外，成本要低。 然而，目前无论是科研上还是市场上开发的g a n 材料衬底，都存在这种 或那种的缺点。需要一定的外延生长技术才能克服。以下是各衬底的研究概 况。 1 4 1 蓝宝石衬底 用于g a n 生长最普遍的衬底是a 1 2 0 3 。其优点是化学稳定性好，不吸收 可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中 没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。 生长在蓝宝石衬底上的g a n 都是纤锌矿衬底，由于晶面( 0 0 1 ) 上，g a n 的晶格常数为5 5 1 7 1 4 1 ，而通常使用的是蓝宝石a 1 2 0 3 作为衬底，它在( 0 0 1 ) 面上的晶格常数为4 7 5 8 ，我们根据这条晶格失配度计算公式6 = ( a s a e ) a s 式中，a s 为衬底晶格常数a e 为外延薄膜晶格常数，可以算得g a n 与蓝宝石 衬底的晶格失配度为1 6 ，品格常数差异会导致外延材料的缺陷密度增加， 直接影响到器件的稳定性。因此，在8 0 年代前，没有高质量的衬底，很难生 长出好的g a n 薄膜。 然而，经过三十年的发展，蓝宝石衬底已经成为g a n 材料生长的主流， 成本也得到了控制，是目前为止最为成熟的衬底。在蓝宝石上生长g a n 基 l e d 一般使用日本a k a s a k i f 5 】和s n a k a m u r a t 6 】发展起来的缓冲层技术，即先生 长一层缓冲层，然后在缓冲层上生长g a n 材料，这样可以缓解g a n 与蓝宝 石之间的品格失配，使得g a n 外延层的位错密度降低，而且缓冲了g a n 外 延层与蓝宝石衬底之问的热失配。 1 4 2 碳化硅衬底 s i c ( 碳化硅) ，碳化硅也属于第三代半导体材料，它的能带也很宽，也 能制造成蓝光发光器件，而且导电性能好，易于作为电极，难能可贵的是它 的晶格常数及热膨胀系数跟g a n 很相近( 晶格失配度仅为o 5 ) ，并且易于 解理，导热性能( 碳化硅的导热系数为4 9 0 w ( m k ) ) 要比蓝宝石衬底高出 l o 倍以上，是作为蓝光激光二极管理想的材料。不过碳化硅材料的价格相当 6 华南师范人学硕 ：学位论文 第一章绪论 昂贵，限制了它的广泛应用，目前主要有美国的c r e e 公司专门使用碳化硅 作为衬底生长g a n 外延。 1 4 3 硅衬底 硅衬底是自2 0 0 0 年才发展起来的一种相对低廉的g a n 衬底。相对于以 上两种衬底，它最大的优势就是成本低廉。硅与s i c 一样是导电衬底，制造 电极方便，同时，它硬度比蓝宝石低，加工也比较容易，因此，如果把s i 衬底生长的g a n 材料晶体质量提升上去，那么对于降低蓝光l e d 的成本会 起很大作用。但是，硅与g a n 的热失配与晶格失配比蓝宝石更大，直接生长 g a n 很容易会发生龟裂以及位错密度的升高，硅还会吸收可见光从而使外量 子效率降低。 如今，可以在s i 衬底上生长a l n 缓冲层解决失配问题，l i a w 等人报道 了采用转化的s i c 膜加氮化铝复合缓冲层( a i n 3 c s i c ) 技术已经可以在4 英寸的s i ( 1 l1 ) 衬底上生长出无龟裂的g a n 的外延层。日本三垦( s a n k e n ) 电气公司与名古屋工业大学联合开发出用a 1 n g a n 缓冲层缓解因热膨胀系 数不同而产生的热应力，进而控制了龟裂的发生。值得指出的是三垦电气在 生长缓冲层前，首先对硅衬底进行处理，使硅表面上覆盖氢原子，这样就得 到了不含氧的、适于“低温缓冲层 生长所需要的清洁平坦的硅表面，并且 使发光层内的晶体缺陷密度减少到1 0 9 c m 2 。 1 4 4 氮化镓本征衬底 从材料本身性质来说，g a n 衬底是最理想的衬底，因为通过这样才能实 现同质外延，有效地遏止位错等缺陷的产生。但是正如前面所提，由于g a n 体材料开发困难，目前主要使用h v p e 方法在其他衬底( 如a 1 2 0 3 或者s i c ) 上生长出g a n 的厚膜，然后对其他衬底剥离，这样就形成了g a n 的本征衬 底，由于是同质外延，生长出的g a n 薄膜器件的工作寿命以及工作电流密度 等性能都可以得到很大的提高。 7 2 1 1 热应力失配 由于硅( 1 1 1 ) 面与g a n 材料之间存在着巨大的热失配，a 轴方向上g a n 的热膨胀系数为5 5 9 x 1 0 石k - 1 ，而硅( 1 1 1 ) 为3 5 9 x 1 0 石k - 1 ，两者的失配高达 5 6 ，在硅衬底上生长g a n ，从高温降到室温，将产生很大的张应力，从而 导致裂纹的产生，而这种裂纹直接影响到器件的可靠性与良品率。 2 1 2 位错密度 由于g a n 的晶体常数为0 3 1 8 9 n m ，而硅( 1 1 1 ) 面的晶格常数为0 5 4 3 0 1 n m ， 两者之间晶格失配达到1 6 9 ，因此，硅上生长的g a n 材料将会出现大量的 位错，而这些位错将会导致器件性能与寿命的下降。 2 2 硅衬底g a n 基材料研究的最新进展 2 2 1 缓冲层设计 由于硅材料与g a n 材料在物理化学性能上有差异，因此，引入缓冲层成 为硅上生长g a n 不可或缺的技术。一般在硅上生长g a n 材料都会引用a 1 n 缓 冲层，这是由于a 1 n 化学性能稳定，热膨胀系数介于硅材料与g a n 材料之间， 可以有效地解决生长过程中所出现的裂纹问题降1 1 1 。另外，生长过程中通过 增加一定数量的缓冲层【1 2 1 3 】，理论上可以生长出无裂缝的g a n 薄膜。图2 一l 是一种硅衬底上外延生长g a n 的示意图【1 4 1 ，作者通过了引入高温与低温上的 a i n 缓冲层以及不同组分的a i g a n 来消除裂纹。从图中可以看出缓冲层经过 r i g a n2 , 2 p m ，鋈 ； ，雳 筑 锈 寥一缓 黪，、a h 渺一霪) 7 鬟錾1 似。熊“ 霪 髟一h t ，锈，秀 ， 缓 笼l t - a i n缓 h t - a i n，囊 囊叠s 即1 o i 饔 图2 - 1 一种硅上生长g a n 的缓冲层。 2 2 2 衬底的设计 硅衬底是一种很容易刻蚀的衬底，通过对硅衬底图形化，也能释放出衬 底与外延层之间的应力，另外，也增强了材料生长过程中的横向生长，把位 错密度降低，图2 2 是y h o n d a 1 5 】等人研究出的不同硅衬底生长出的不同情 图2 - 2 图形硅衬底的g a n 生长 1 0 脚咀 况，图( a ) 是没有图形衬底的g a n ，图二与图三都把硅衬底图形化了，从图 中可以看到样品a 与样品b 都出现了明显的裂纹，而样品c 的裂纹减少了， 9 习l 譬。，。，。-产 华南师范人学硕二i 二学位论文第二章砩衬底g a n 材料研究进展 证明通过合适的图形化处理，硅衬底确实能够长出高质量的g a n 材料。 。 香港大学刘纪美研究小组设计了一种图形衬底1 1 6 1 ，其生长的效果如图 2 3 。其方格尺寸在3 4 0 1 t m x 3 4 0 1 , t m ，把硅衬底分成独立的一小块单元，可以 看到每个方块表面平整，没有明显的裂纹，晶体质量经过x 射线衍射测得 ( 0 0 2 ) 面5 2 2 弧秒，( 1 0 2 ) 面9 3 3 弧秒，l e d 器件输出功率在4 3 v ，2 0 m a 情况下为0 7 毫瓦，在2 0 0 7 年属于一个先进的水平。 图2 3 图形硅衬底的g a n 生长：a ，g a n 外延效果；b ，做成的l e d 2 2 3 电学元器件的研究 在g a n 材料中，很大部分都以l e d 应用作为研究方向，然而，随着通信 技术的发展，对于高频，高功率器件的需求正逐渐增加，由于硅衬底本身就 是导体，而g a n 适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件， 如h e m t 以及f e t ，而且可以制作蓝、绿和紫外光器件和光探测器件，因此， g a n 作为电学器件前景广泛。n a r i a k ii k e d a 等人在硅衬底上研制出了击穿电压 1 3 0 0 v ，正常工作电压9 0 0 v ，电流达1 2 0 a 的h f e t 器件1 1 7 】。m h i g a s h i w a k i 等人报道了硅衬底上的h e m t 器件【1 8 】，工作频率达到1 5 2 g h z ，这些意味着 硅衬底上生长的g a n 电学元器件都有很好的高功率，高速度的特点。 2 2 4 非极性g a n 材料的生长 一般来说，国内外在硅衬底上生长g a n 材料都是使用硅的( 11 1 ) 面进 行生长，这种情况下，g a n 薄膜通常是沿着其极性轴c 轴方向生长的。由于 镓原子集合与氮原子集合的质心不重合，产生了电偶极子，因而引起自发极 1 0 华南师范大学硕上学位论文第二章硅衬底g a n 材料研托进展 化效应，而在量子阱器件中，由于三元化合物( 如i n g a n ) 与二元化合物( 如 g a n ) 之间的晶格失配和热失配不同，因而产生了压电效应，这种生长将会由 自发极化和压电效应而产生的强大的内建电场，会使器件的能带发生弯曲， 而直接使得氮化镓基l e d 发光效率降低，影响大功率器件的研制。图2 - 4 是 氮化镓晶格的示意副1 9 1 ，其中，( 0 0 0 1 ) 面是极性面，而( 1 1 - 2 2 ) 是极性面， ( 一1 1 0 3 ) 是半极性面。由于硅衬底在刻蚀上具有各向异性的特点，因此在 0 0 1 晶向的硅表面，可以通过湿法刻蚀出侧面是 1 1 1 晶向的条状槽，而由于g a n 与硅( 1 11 ) 面的晶格分布最为相像，因此能够在硅( 1 1 1 ) 面选择性生长出 g a n 材料，形成的g a n 薄膜将会是 1 - 1 0 1 晶向半极性的g a n ，如图2 - 5 。同 理，通过刻蚀晶向为 1 1 0 的硅衬底，可以生长出完全非极性的g a n 材料。通 过非极性的g a n 材料，可以制造出没有极化效应的g a n 器件，减少量子束缚 效应，从而提高器件性能。 图2 4 g a n 各个晶面图2 - 5 半极性g a n 生长 华南师范火学硕上学位论文第三壹测试与分析 第三章测试与分析 3 1x 射线双晶衍射测试 x 射线双晶衍射测试以其高精度，无损伤等特点，成为材料性能表征的 重要研究手段之一，通过测试，能够测出材料的晶体质量，界面质量以及应 力驰豫等信息，图3 1 为x 射线双晶衍射原理示意图。高能电子束撞击铜靶 产生x 射线，经过准直系统射到样品上，经过样品的晶格产生的x 光束将会 遵从布拉格衍射定律，如公式( 3 1 ) ： x 射线 i l 舡= 2 ds i n o 图3 1 x 射线衍射示意图 测器 ( 3 1 ) 式中，n 为衍射级数，九是入射x 光的波长，d 是衍射的面间距，0 是入 射角通过测量0 值，可以算出衍射的面间距，就是晶格常数。而测试出来的 x 射线的图谱，通过测量x 射线衍射峰的半高宽，能够定性地检测出样品的 晶体质量。另外，通过对样品进行2 0 扫描能够知道样品的异质结生长情况， 如量子阱的界面。 1 2 采用的显微镜是l e i c a 公司的产品，最大能从1 0 0 0 倍的放大率去观察样品表 面。不过为了便于观察裂纹，本次实验的图片都是在5 0 倍放大率下拍摄到的。 除了光学显微镜，本次实验的样品还应用了s t m 探针显微镜来进行测 试，而我们采用的是其中的原子力 显微镜a f m 模块。图3 - 2 是原子 力显微镜的原理图。原子力显微镜 的核心部件是探针，探针与样品接 触，由于样品表面的起伏，因此一 束激光打到探针上，扫描开始时， 在探测器上将会出现不同的光强。 从而探测出探针的位置变化，通过 数学运算，能够算出样品表面的高 度变化情况，其垂直分辨率可达 o 1 n m ，能够测量出g a n 台阶状生 长的形貌，位错等信息。 图3 2 原子力显微镜示意图 在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间相互作用力， 来测量待测物的表面的物理特性，主要是表面形貌。所