Al2O3和SiC衬底生长GaN质量对比及SiC衬底倾角对GaN质量的影响

摘要

GaN作为一种宽禁带直接带隙半导体材料，其室温下的禁带宽度约为3.45eV。近年来，GaN半导体材料因其在光电和大功率电子探测领域的突出性能而受到了更多的关注，例如LED和激光器等。由于获得合适的同质衬底材料非常困难，外延生长GaN通常采用蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或者硅(Si)衬底，在这些衬底当中蓝宝石和SiC更为常用。蓝宝石衬底的价格相对较低。但是蓝宝石与GaN的晶格失配过大，这将影响外延层的质量。并且其导热性太差，导致大功率器件在大电流工作下问题非常显著。SiC与GaN的晶格失配比较小，导电性和导热性比较好，但是价格昂贵，另外，SiC衬底上生长的GaN外延层内部存在较大的张应力，这将导致外延层出现裂纹。在以往的SiC衬底生长GaN薄膜的报道中，大多采用无倾斜角度的轴向切割的SiC衬底生长GaN。最近，带有小倾角的SiC衬底引起了更多的关注，但是这方面的结论并不清楚。本论文围绕蓝宝石和碳化硅衬底生长GaN外延层的质量展开下述两个工作:
　　(1)用AIXTRON MOCVD设备在蓝宝石和碳化硅衬底上生长相同厚度的GaN外延层，利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼(Raman)光谱和光致发光(PL)谱等测试手段对外延层进行表征。测试结果显示，SiC衬底上生长的外延层内部存在强度较大的张应力，表面形貌和光学性能更好，位错密度小于蓝宝石衬底生长的外延层。
　　(2)在相同的生长条件下在0°、2°6′、3.68°的三个不同6H-SiC衬底上生长GaN薄膜。用与上面相同的测试手段对外延层进行表征。测试结果表明衬底倾斜角度越大，薄膜的表面粗糙度就越大，0°衬底上外延生长出的薄膜表面形貌最好;衬底倾角对外延层的位错密度存在影响;相比于无倾角的衬底带有倾角衬底样品的位错密度较小;但倾角并非越大越好，随着倾角的增加位错密度反而增大;三个样中2°6′衬底上生长的薄膜位错密度最小;随着衬底倾斜角度增大，外延层内部的张应力增大，外延层的光学性能随衬底角度增加而变差。