硅衬底上GaN外延层和AlGaN/GaN异质结的MOCVD生长研究

摘要

随着商业化氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）、激光器（LD）和高电子迁移率晶体管（HEMT）的相继推出，性能卓越的GaN基器件引起了广泛的关注。然而，过高的成本和大功率器件的技术瓶颈阻碍了GaN基光电子器件的产业化进程。
　　 由于GaN 体材料的缺失，GaN基光电子器件只能在异质衬底上生长。考虑到Si衬底的众多优点，采用Si 作为衬底是降低GaN基光电子器件成本和开发新型大功率器件的有效途径。然而，与蓝宝石衬底和碳化硅衬底相比，在Si 衬底上生长高质量的GaN基材料较为困难：首先，GaN在高温下易同Si 发生剧烈的合金反应从而腐蚀衬底和外延层；其次，由于GaN与Si 衬底大的晶格失配和热失配，GaN 外延材料存在缺陷密度高、易龟裂等问题。针对上述问题，本文系统地探讨和研究了Si 衬底上GaN 外延层的MOCVD 生长工艺，主要研究内容如下：
　　 首先，研究了Si 衬底的前期处理工艺对GaN 外延层后续生长的影响，特别是对高温预铺铝工艺和氮化铝（AlN）缓冲层的生长工艺进行了优化研究。结果表明：Si衬底的清洗和高温烘焙工艺对衬底的表面形貌有显著的影响，并影响到随后AlN 缓冲层的生长；高温预铺铝的时间不仅会影响衬底表面氮化的抑制效果，而且影响后续AlN 缓冲层生长的均匀性；AlN 缓冲层生长参数的变化则直接影响到Si和Ga的隔离效果和GaN 外延层的生长质量，因而其优化的意义重大。
　　 其次，研究了三类应变缓冲层的设计与优化，探讨了它们对GaN 外延层张应力和穿透位错消除作用的影响。为了有效地消除GaN 外延层中的张应力，采用低温氮化铝（LT-AlN）成核层和若干LT-AlN 插入层的应变缓冲层设计技术，通过对插入层的层数、厚度和生长温度的优化，实现了厚度超过1.5μm 无裂纹的外延层生长，但外延层晶体质量还有待提高；采用较厚的高温（HT）AlN 缓冲层结合组分连续渐变的AlxGa1-xN 插入层的设计，通过对HT-AlN/Si(111)模板的优化（例如AlN 厚度和生长V/III 比），及对AlxGa1-xN 插入层的组分渐变方式（线性和非线性）、渐变速率（生长速率）和厚度的优化，发现生长较薄的、非线性的AlxGa1-xN组分连续渐变层就可以有效地消除张应力和位错密度，生长出超过1.5μm 无裂纹、高质量的GaN 外延层；
　　 尝试了几种含超晶格结构的应变缓冲层设计，方案新颖独特，但是在实验中，因无法保证超晶格的界面陡峭性，未显示出它在消除应力和位错上的作用。
　　 最后，在获得高质量GaN 外延层的基础上，生长出AlGaN/GaN 异质结，并考察了AlGaN 垒层厚度、异质界面粗糙度等因素对异质结二维电子气（面密度和迁移率）的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

2 外延生长和材料表征设备的介绍

3 氮化镓基材料的MOCVD 生长基础

4 硅衬底上GaN 生长的前期工艺

5 硅衬底上高质量氮化镓的生长

6 硅衬底上AlGaN/GaN 异质结的生长与表征

7 总结与展望

致 谢

参考文献

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