GaN基材料MOCVD生长机理的腐蚀法研究

摘要

GaN基材料的MOCVD生长需要在诸如高Ⅴ/Ⅲ比等不同于普通Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的生长条件下进行,其生长机理较为复杂。化学腐蚀方法可看作是生长的逆过程,因此通过对腐蚀各个阶段样品表面形貌的对比分析,可从一个侧面反映生长机理,从而提供了一个研究生长机理并优化生长工艺的简便有效的方法。本文先分别研究了GaN和AlGaN材料的腐蚀特性,而后通过控制腐蚀温度时间逐层剥离AlGaN/GaN异质结构,研究其生长机理。相对于MBE生长技术,MOCVD的高温生长使得外延GaN薄膜均呈Ga面极性,而与缓冲层性质无关。Ga极性面的化学稳定性使得GaN和AlGaN在其位错表面露头处选择性被腐蚀。由腐蚀坑密度求得GaN位错密度在10<'8>cm<'-2>量级,而AlGaN位错密度则更高,在10<'9>cm<'-2>量级。这是主要是由于Al原子相对低的表面迁移率,使其在衬底上形成了较小的成核层晶粒,接下来较小的岛合并产生了较多的位错。AlGaN/GaN异质结构上层的AlGaN薄层(约30nm)则呈现不同于厚AlGaN薄膜的腐蚀特性。腐蚀初期出现较大的六方形浅坑,浅坑中心位置存在与GaN薄膜腐蚀坑相似的倒六棱锥形腐蚀坑。随着腐蚀进一步进行,这些六方形浅坑相连,其表面形貌与二维层状生长的成核层表面形貌类似。原子力显微镜(AFM)的深度分析表明腐蚀延横向扩展,并未向深度(GaN层)进行。可以认为AlGaN层还为达到关键厚度,其生长模式为二维逐层生长。而GaN层部分位错传播至AlGaN层,使得腐蚀优先在位错表面露头处开始。由于AlGaN比GaN更易被腐蚀,接下来的腐蚀向横向扩展。更进一步腐蚀使得AlGaN层剥离,呈现GaN薄膜的腐蚀特性。