石墨及不锈钢衬底上低温沉积GaN薄膜的结晶特性研究

摘要

氮化镓(GaN)是一种直接宽禁带半导体材料，常温下禁带宽度为3.39eV，由于它的带隙能从0.7eV连续变化到6.2eV，所对应的波长覆盖了从近红外到紫外很宽的光谱范围，所以已在光电器件领域如半导体发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)及探测器等方面得到广泛应用;同时GaN具有耐高温、热导率高、硬度高等特性，使得GaN基材料在制备高频、高温及大功率器件中也有着重要的应用价值。
　　目前GaN的生长制备基本是采用异质外延，国际上通常采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)这三种化学方法来制备GaN外延层，其中MOCVD方法技术层次高，实验参数简单，纯度高且量产能力大，并且MOCVD反应室在不断改进，是后来居上的外延技术。但若想获得高质量的外延生长，就需要找到合适的晶格匹配衬底，至今为止，适于GaN晶体生长的衬底主要有蓝宝石（a-Al2O3），碳化硅(SiC)，此外还有硅(Si)，砷化镓(GaAs)，氧化锌(ZnO)等，另外，采用激光剥离(Laser Lift-off, LLO)技术，将a-Al2O3衬底上生长的外延片剥离下来后再键合到其他衬底，如Cu，Si。目前采用的这些衬底材料均有不如人意之处，如a-Al2O3衬底价格贵且不易解理;SiC衬底材料价格非常昂贵;而采用剥离技术工艺要求高，成品率低。
　　最近，松下宣布开发出了在石墨衬底上生长出了高质量GaN结晶薄膜的技术，且石墨是做电极的极好选择，但是当温度过高时，石墨中这种非故意掺杂的碳杂质会向GaN薄膜中的扩散，因此必须采用一种低温的生长方法，然而对于石墨衬底生长GaN薄膜很少有人研究，所以本文也尝试在石墨衬底上低温沉积GaN薄膜;另外，不锈钢作为一种廉价易得的合金，其耐腐蚀性好，反光率高，若直接作为衬底使用，有利于制备垂直型GaN器件，提高GaN基LED等的出光效率，大幅度降低器件成本，但是不锈钢成分复杂，高温生长容易加剧多种金属杂质向GaN薄膜中的扩散，因此也必须采用一种低温的生长方法，本文也采用不锈钢作为衬底，研究了沉积在不锈钢衬底上的GaN薄膜。
　　本文采用电子回旋共振—等离子体增强的金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)方法，分别以石墨及不锈钢为衬底，三甲基镓(TMGa)为镓源（以H2作为载气），高纯氮气（纯度为99.999％）为氮源，低温沉积出了高度c轴择优取向的GaN薄膜。并且利用ECR-PEMOCVD装置上配有的反射高能电子衍射(RHEED)设备，结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、光致发光谱(PL谱)和电流与电压测试（I-V测试）研究了沉积温度、三甲基镓(TMGa)流量对GaN薄膜质量的影响。实验结果表明，在其他实验参数固定不变的条件下，以石墨为衬底，在沉积温度为450℃，TMGa流量为0.8sccm条件下，沉积的GaN薄膜结晶质量较好;保持其他参数不变时，在沉积温度为400℃，TMGa流量为0.8sccm条件下，以不锈钢作为衬底，沉积的GaN薄膜结晶质量较好。通过研究发现，石墨及不锈钢衬底有较好的研究意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 GaN的研究历史与发展方向

1．2 GaN的基本性质

1．2．1 GaN晶体结构的特性和物理性质

1．2．2 GaN的化学性质

1．2．3 GaN的光学性质

1．2．4 GaN的电学性质

1．3 GaN的制备技术

1．4 GaN的衬底选择

1．5 本文研究的意义和研究内容

2 实验设备与检测方法

2．1 实验设备

2．1．1 电子回旋共振(ECR)等离子体技术

2．1．2 ECR-PEMOCVD设备

2．2 薄膜的检测方法

2．2．1 薄膜的结构分析

2．2．2 薄膜表面形貌的表征

2．2．3 薄膜的光学性能表征

2．2．4 薄膜的电学测试原理及相关理论

3 石墨衬底上GaN薄膜的生长及其表征

3．1 实验过程

3．2 不同衬底温度对沉积GaN薄膜质量的结果与分析

3．2．1 XRD测试分析

3．2．2 SEM表面形貌研究

3．2．3 PL光谱分析

3．3 不同TMGa流量对沉积GaN薄膜质量的结果与分析

3．3．1 XRD测试分析

3．3．2 SEM表面形貌研究

3．3．3 PL光谱分析

3．4 I-V测试分析

3．5 小结

4 不锈钢衬底上GaN薄膜的生长及其表征

4．1 实验过程

4．2 不同衬底温度对沉积GaN薄膜质量的结果与分析

4．2．1 RHEED图像分析

4．2．2 XRD测试分析

4．2．3 SEM表面形貌研究

4．3 不同TMGa流量对沉积GaN薄膜质量的结果与分析

4．3．1 RHEED图像分析

4．3．2 XRD测试分析

4．3．3 SEM表面形貌研究

4．4 不锈钢衬底上PL谱分析

4．5 I-V测试分析

4．6 小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢