硅图形衬底上半极性GaN的MOCVD生长和特性研究

摘要

GaN基半导体作为一种新的光电功能材料，以其宽直接带隙、高稳定性、高热导率、高硬度等优良性质，可广泛应用于显示指示、固态照明、太阳能电池、固体激光器、紫外探测器、以及各种微电子器件等领域。
　　 长期以来，GaN薄膜通常是沿着其极性轴c轴方向生长的。然而，由于GaN及其合金在〈0001〉方向具有很强的自发极化和压电极化。这种极化效应在氮化物外延层中产生较高强度的内建电场，引起能带弯曲、倾斜，使电子和空穴在空间上分离，材料的发光效率大大的降低。近年来，非极性/半极性GaN基电子器件制备也逐渐引起了众多研究者关注。
　　 目前，非极性/半极性GaN主要生长在蓝宝石、碳化硅以及硅衬底上。近年来，一些研究者对Si衬底生长非极性/半极性GaN进行了研究，取得了一些进展。但如何在Si衬底上实现较高质量、无裂纹的GaN生长仍然是研究的难点，还有大量问题需要解决。
　　 本文对Si表面图形衬底的刻蚀及采用Thomas Swan MOCVD在硅图形衬底上生长半极性GaN进行了研究。采用光学显微镜、光致发光光谱仪、X射线衍射仪、原子力显微镜等测试仪器对Si图形衬底的腐蚀结果及生长的半极性GaN的表面形貌、光学性能、结晶性能等进行了系统研究。通过优化GaN的生长温度、生长速率及引入插入层，在硅图形衬底上生长出了表面连续，相对光滑的半极性GaN。获得了如下有创新和有意义的研究结果：
　　 1、系统研究了硅表面图形衬底的刻蚀。通过KOH溶液的各向腐蚀特性，在（001）硅衬底上刻蚀出侧面为（111）面的槽状图形衬底。重点研究了温度，异丙醇以及超声波振动对腐蚀形貌的影响。结果表面通过添加异丙醇和引入超声波振动，我们在40℃下能刻蚀出适宜半极性GaN生长的硅图形衬底。
　　 2、研究了半极性GaN的生长机理，重点研究了温度，插入层，缓冲层生长条件对半极性GaN生长的影响。我们发现温度能明显的改变其生长机理。通过引入插入层能很好的释放晶格失配引起的应力，从而得到表面连续，相对光滑的半极性GaN。
　　 3、研究了高温GaN生长初期的生长速率对GaN性能的影响。结果表明通过适当降低其生长速率可以明显的改善GaN外延层的性能，但如果进一步降低其生长速率，GaN的性能也会下降。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1．1 Ⅲ族氮化物的基本结构

1．2 GaN基器件应用

1．2．1 GaN LED的应用

1．2．2 激光器二极管(LDs)的应用

1．2．3 电学器件

1．3 氮化物材料生长

1．3．1 金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)

1．3．2 横向外延过生长(LEOG)外延技术

1．3．3 MBE生长技术

1．3．4 HVPE生长技术

1．4 非极性、半极性GaN+的优点及研究现状

1．4．1 非极性、半极性GaN的优点

1．4．2 非极性GaN的研究现状

1．5 Si图形衬底的优点

第二章 氮化物MOCVD生长系统及其生长机理介绍

2．1 Thomas Swan公司的MOCVD设备简介

2．1．1 MOCVD技术的优点

2．1．2 MOCVD技术的不足

2．2 MOCVD材料生长机理及所用源材料

2．2．1 MOCVD材料生长机理

2．2．2 MOCVD材料生长所用源材料

2．3 氮化物外延生长工艺及生长模式

2．3．1 氮化物外延生长工艺

2．3．1 氮化物外延生长模式

2．4 材料表征

2．4．1 X射线双晶衍射技术

2．4．2 表面形貌分析

2．4．3 光致发光

2．4．3 霍尔测量系统

小结：

第三章 硅衬底表面图形的刻蚀

3．1 干法刻蚀

3．2 硅衬底的ICP干法刻蚀

3．2．1 ICP的基本工作原理

3．2．2 硅衬底干法刻蚀特性研究

3．3 湿法刻蚀

3．4 硅衬底的KOH溶液各项异性腐蚀

3．4．1 腐蚀原理

3．4．2 实验过程

3．4．3 刻蚀温度对刻蚀速率及表面形貌的影响

3．4．4 IPA对刻蚀的影响

3．4．5 超声波对刻蚀的影响

小结：

第四章 硅图形衬底上半极性GaN的生长及特性研究

4．1 抑制SiNx的形成

4．2 缓冲层对GaN生长的影响

4．3 GaN生长温度对GaN生长的影响

4．4 插入层对GaN生长的影响

小结：

第五章 高温GaN生长初期生长速率对GaN+性能的影响

5．1 实验过程

5．2 实验结果分析

小结

第六章 结论

参考文献

致 谢

硕士期间完成的论文和科研项目