HVPE法生长厚膜GaN

摘要

由于厚的GaN膜可有效降低位错密度，因而生长厚膜GaN已成为近几年的研究热点。本文利用生长速度较快的氢化物气相外延（Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE）法生长GaN厚膜，为了提高GaN厚膜的质量，采用了缓冲层技术以减少失配位错和热应力的产生，并分析了缓冲层对GaN厚膜生长的作用。
　　本文首先优化了蓝宝石衬底上生长ZnO缓冲层的工艺条件。通过对射频磁控溅射制备ZnO薄膜机理的深入分析，分别研究了溅射功率、工作压强、衬底温度对Zn O缓冲层的影响，得到了最优的溅射条件为：60W、2.0Pa、200℃。
　　其次，本文对ZnO缓冲层上用HVPE法生长GaN厚膜的工艺条件进行了研究。以HVP E法外延Ga N理论为基础，分别研究了Ⅴ/Ⅲ比值、载气种类和生长温度对Ga N厚膜质量的影响，并利用微分干涉显微镜（DIC）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、光致发光（PL）技术对GaN样品的表面形貌、结晶质量和光学特性等进行了表征。研究发现：
　　（1）低的Ⅴ/Ⅲ比值（既低NH3流量）下，GaN呈横向状态生长，位错密度小、发光特性好，但是表面存在大量裂纹。较高的Ⅴ/Ⅲ比值（既高NH3流量）下，GaN呈垂直结构生长，表面存在许多小坑，ZnO缓冲层受NH3腐蚀严重，使GaN中杂质缺陷态密度大，结晶质量差，但是缺陷释放了部分应力，使裂纹大大减少。
　　（2）在生长区温度（1010℃~1035℃）范围内，1020℃下生长的GaN样品的c轴择优取向性最强，FWHM值最小，Zn杂质扩散少，ON、VGa等缺陷少，具有较高的结晶质量。
　　（3）载气种类主要影响GaN的表面形貌，以N2为载气生长的GaN表面的成核岛尺寸小、密度高，表面粗糙度大；而以H2和N2混合为载气生长的GaN表面的成核岛尺寸大、密度低，岛合并产生的位错少，表面平坦光滑。
　　为了进一步提高GaN厚膜的质量，在其它工艺参数不变的情况下，本文还深入研究了ZnO缓冲层的厚度对GaN外延层的影响。研究结果表明ZnO缓冲层的存在能够有效降低GaN外延层的失配位错和应力，但ZnO缓冲层过薄或过厚均会产生差的GaN表面形态及结晶质量，FWHM值较大；而200nm厚的ZnO缓冲层上外延的GaN表面平坦光滑，FWHM为0.230°，杂质缺陷少，结晶质量高，从而得到最适合GaN生长的ZnO缓冲层厚度为200nm。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 GaN的基本特性

1.3 GaN晶体的制备

1.3.1 异质外延GaN的衬底材料

1.3.2 异质外延GaN的方法

1.3.3 HVPE法异质外延GaN的研究进展

1.4 本论文的主要研究内容

第二章 实验平台及表征方法

2.1 HVPE法外延GaN的基本理论

2.1.1 HVPE法生长GaN的工作原理

2.1.2 GaN的生长模型

2.2 HVPE生长系统简介

2.3 主要表征技术

2.3.1 AFM表征技术

2.3.2 SEM表征技术

2.3.3 XRD表征技术

2.3.4 PL表征技术

2.3.5 DIC表征技术

2.4 本章小结

第三章 ZnO缓冲层的制备

3.1 蓝宝石衬底上ZnO缓冲层的制备

3.1.1 ZnO缓冲层的性质和作用

3.1.2 磁控溅射镀膜原理

3.1.3 溅射ZnO的实验步骤

3.2 ZnO缓冲层工艺参数的优化

3.2.1 溅射功率对ZnO缓冲层的影响

3.2.2 衬底温度对ZnO缓冲层的影响

3.2.3 工作压强对ZnO缓冲层的影响

3.3 本章小结

第四章 ZnO/c-Al2O3上HVP E法外延G aN厚膜的研究

4.1 HVPE法外延GaN厚膜工艺条件的优化

4.1.1 Ⅴ/Ⅲ比

4.1.2 生长温度

4.1.3 载气种类

4.2 ZnO缓冲层厚度对GaN外延层的影响

4.2.1 GaN样品表面形态分析

4.2.2 GaN样品结晶质量分析

4.2.3 GaN样品光学特性分析

4.3 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢