GaN基Ⅲ族氮化物外延生长及相关器件的研究

摘要

自2000年以来，以氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)为主的Ⅲ族氮化物半导体异质结构及相关电子器件得到了快速发展。这些Ⅲ族氮化物半导体材料因为所具备的突出的物理、化学性能而被普遍应用于光、声、电等器件领域。
　　在Ⅲ族氮化物半导体光电器件中，GaN基发光二极管(LED)的广泛应用，开创了半导体照明的新纪元。在电力电子器件方面，Ⅲ族氮化物半导体材料以强击穿电场、高电子迁移速率及高饱和漂移速度等优势，使基于此材料体系的电力电子器件各项参数性能优异。在微波器件领域，GaN材料的高电子迁移率晶体管(HEMTs)已经应用于雷达和民用通信。此外，AlN压电单晶具有色散小、导热性好、热稳定性高、热膨胀系数低、抗酸碱腐蚀能力强和高频段声损耗低等优点。尤其是在无机非铁电的压电体系中，AlN由于极高的声表面波(SAWs)传输速率及较好的压电性能，被广泛用于高频的SAWs器件和声体波(BAWs)器件。
　　Ⅲ族氮化物没有可用的体块单晶衬底，GaN的单晶薄膜材料只能在如碳化硅(SiC)、蓝宝石(Al2O3)和硅(Si)等其他衬底上进行异质外延生长。SiC与GaN的晶格失配和热失配度均比较小，在其上外延的GaN、AlN等单晶薄膜缺陷少、应力低。此外由于高热导率、高击穿强度等优势，SiC衬底在大功率LED、HEMTs等方面的应用上具有更大优势。使用SiC衬底的不利因素是衬底昂贵，导致器件制备成本过高。Si衬底的优势是生长及加工工艺成熟，且价格低廉，电导率和热导率相对较高。在Si衬底上通过外延工艺生长高质量的GaN等Ⅲ族氮化物更加困难，且对于LED而言，Si对光有较高的吸收系数。Al2O3相比SiC衬底而言，与GaN材料的晶格失配和热失配均较大，但是通过生长压力、温度以及生长过程中载气的选择等条件的控制，可以生长出高结晶质量的GaN薄膜。透明度好、价格便宜的Al2O3材料是当前商业化GaN基LED最常用的衬底。
　　本论文通过Vecco和Aixtron公司生产的MOCVD系统，研究了在Al2O3和 SiC衬底上Ⅲ族氮化物材料的外延生长机理。通过设计并优化外延片多层结构，生长出高质量、高性能的Ⅲ族氮化物外延结构。对GaN基LED外延的生长工艺以及芯片的物理性质进行了研究。理论探索了HEMTs结构中2DEG与SAWs之间的相互耦合作用。
　　同时通过COMSOL有限元分柝手段对AlN基高频段SAWs器件的特性做了细致的分析，并模拟出压电材料体系的SAWs与声子晶体(PnCs)相结合的带隙可调的声滤波器。
　　本论文的主要研究内容如下:
　　1、GaN基LED结构的外延工艺以及其芯片I-V特性的测量。
　　利用MOCVD方法在c轴取向的Al2O3衬底上外延了GaN基LED结构，分析了底层非掺杂的GaN层的厚度和n型层的生长速度与整片外延层表面内应力及波长均匀性之间的关系。采用拉曼(Raman)散射谱对外延层表面的应力进行了测量。研究发现，底层非掺GaN层厚度的减薄以及n型GaN层生长速率的降低，均导致Raman高阶E2声子模式峰位发生蓝移，即外延层中的压应力得到适当的释放。利用光致发光(PL)光谱对LED外延片波长均匀性进行了表征。测试表明，LED结构的主波长、峰值波长以及色度的均匀性均随着底层非掺GaN层厚度的减薄以及n型GaN层生长速率的降低变得越来越好，同时PL谱半峰宽进一步的变窄。即通过外延工艺的调整，Al2O3衬底上生长的GaN基LED结构不仅结晶质量得到提升，同时通过降低外延层面内应力，整个外延片发光波长的均匀性也进一步得到优化。通过优化外延生长工艺，生长出了应力小、波长均匀性佳的GaN基LED外延结构。
　　传统的MOCVD外延GaN基LED工艺生长时间长，致使成本居高不下。本文采用山东大学GaN课题组提供的Al2O3衬底上HVPE工艺生长的GaN薄膜作为LED外延的新型衬底(HVPE-GaN)，进行了GaN基LED外延结构的生长。利用显微镜、PL谱仪、电致发光(EL)光谱仪分别对新型衬底上外延的GaN基LED结构进行了表征。对相应LED芯片的光学和电学参数进行了测试与分析。利用新型HVPE-GaN衬底进行LED外延时不再需要非掺GaN缓冲层，有效地降低了MOCVD的工作时间，缩减了GaN基LED制备的成本。
　　采用微纳加工工艺将GaN基LED外延片制备成了LED芯片，通过对芯片的I-V特性的测试，研究并分析了外延LED结构中的低温p型GaN层生长条件（生长温度、In流量、Mg流量）与芯片性能之间的关系，并对芯片的静电压承受极限进行了测试，证明了所制备的LED芯片抗静电能力可达4000V以上。同时，对部分损坏的LED芯片的失效机理做了进一步的分析。
　　2、生长条件对HEMTs外延结构性能的影响，理论计算SAWs与2DEG之间的相互作用。
　　利用MOCVD工艺在Al2O3衬底上生长了AlGaN/GaN HEMTs结构，研究了生长压力与载气(H2和N2)对AlGaN势垒层表面质量及AlGaN/GaN HEMTs沟道中2DEG迁移率的影响。采用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜-能级色散谱(SEM-EDS)表征了外延层的结晶质量。结果表明:随着反应室压力从50torr提高到100torr，外延层表面生长台阶变得更加清晰、规整，且台阶变宽，高度变低;生长压力进一步升高至200torr,表面形貌开始变差。同时发现在外延生长AlGaN势垒层时，适量的通入H2会提高AlGaN层的结晶质量。纯N2环境下生长的AlGaN势垒层表面，生长台阶附近可见一些岛状结构。H2引入后岛状结构明显变少，甚至消失。利用Hall效应测试仪测量了不同条件下AlGaN/GaNHEMTs沟道中的2DEG迁移率。在反应室压力100torr、H2流量占总载气(H2+N2)流量59％时，2DEG的迁移率达到1545cm2/V·s。
　　通过构建模型与理论计算，研究分析了SAWs与2DEG之间的相互作用，通过调节AlGaN/GaN异质结中2DEG的载流子浓度，实现了对SAWs在该结构中传输能量的调控。
　　3、SiC衬底上GaN及AlN的外延生长
　　研究了在4H-SiC衬底上外延的不同厚度的GaN层内压应力的变化，并对其结晶质量进行了评估。系统地研究了在4H-SiC衬底上MOCVD技术外延GaN薄膜的二维生长的临界厚度。通过控制GaN薄膜的生长时间得到高结晶质量、低表面粗糙度的GaN层。生长工艺优化后，获得了600nm厚无裂纹的GaN薄膜，高分辨X-射线衍射仪(HRXRD)测得其(002)面的摇摆曲线半峰宽(FWHM)最低为279.6arcsec。上述高质量GaN薄膜为异质外延提供了优质的缓冲层。
　　在6H-SiC衬底上利用MOCVD技术外延生长了AlN单晶薄膜。利用HRXRD及AFM等测试手段，对MOCVD和磁控溅射两种工艺在相同晶型SiC衬底上生长的AlN薄膜进行了质量对比。HRXRD测试结果表明:MOCVD外延的AlN薄膜的(006)面衍射峰强度高于磁控溅射样品的强度，说明MOCVD技术生长的AlN薄膜的c轴取向性更好，而磁控溅射生长的AlN的取向性相对较弱。在SiC上生长的AlN薄膜，晶格失配使其受到压应力，热失配则会使其受张应力的作用。两种工艺生长的AlN薄膜，衬底峰位与薄膜实际峰间距均比理论峰间距大，即AlN薄膜受到来自衬底的压应力。这说明上述得到的两种AlN薄膜所受到的应力均为晶格失配占主导。AFM测试发现，MOCVD和磁控溅射两种工艺生长的AlN薄膜的表面粗糙度均方根分别为2.42nm和0.244nm。MOCVD工艺生长的AlN薄膜的表面呈小丘状。而磁控溅射的AlN薄膜表面各小岛间呈现逐渐合并的趋势，且可见少许生长台阶。即磁控溅射的AlN要比MOCVD外延的AlN单晶薄膜表面更加平整。
　　4、基于AlN/SiC的SAWs滤波器及SAWs-PnCs滤波器的模拟研究
　　在LiNbO3单晶基底上通过微纳加工手段，制备了能够激发SAWs的叉指换能器(IDTs)。通过网络分析仪以及COMSOL有限元分析方法分别测试和模拟了SAWs的传输特性。并在AlN/6H-SiC压电薄膜上模拟了SAWs的传输特性，对SAWs的传输模式进行了分析。
　　采用三维有限元分析(3D-FEM)方法，从理论上计算了压电基底(LiNbO3，GaN and AlN)上SAWs在有无增强耦合薄板的PnCs中的传输特性。结果表明:在PnCs中两个最近邻圆柱之间引入耦合增强薄板能够产生更多的能带。此外，随着耦合增强薄板厚度的增加，对应于电声器件中的带阻滤波器的SAWs禁止频段得到宽化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 Ⅲ族氮化物材料在光电子领域的应用

1．1．2 Ⅲ族氮化物材料在微电子领域的应用

1．1．3 Ⅲ族氮化物材料在SAWs器件领域的应用

1．2 Ⅲ族氮化物材料的晶体结构和性质

1．2．2 Ⅲ族氮化物材料的晶格常数和禁带宽度

1．2．3 Ⅲ族氮化物材料的极化效应

1．3 Ⅲ族氮化物材料的制备方法

1．4 本文主要工作

参考文献

第二章 MOCVD外延生长技术

2．1 MOCVD生长系统

2．1．1 源材料输运分系统

2．1．2 反应室分系统

2．1．3 生长控制分系统

2．1．4 原位监测分系统

2．1．5 尾气处理分系统

2．2 MOCVD外延生长模式及衬底选择

2．2．1 外延生长的基本模式

2．2．2 外延衬底的选择

2．3 MOCVD外延Ⅲ族氮化物

参考文献

第三章 GaN基LED外延生长及电学特性分析

3．1．1 Al2O3衬底GaN基LED结构的生长

3．1．2 外延层表面内应力及波长均匀性研究

3．2 新型HVPE-GaN衬底上LED外延结构的生长

3．2．1 HVPE-GaN衬底LED结构的生长

3．2．2 测试结果与分析

3．3 GaN基LED结构I-V曲线测量及ESD失效特性分析

3．3．1 LED外延低温P型GaN层生长条件对I-V曲线的影响

3．3．2 ESD的极限测试

3．3．3 ESD失效特性的分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 AlGaN／GaN HEMTs结构的生长及SAWs amplification的设计

4．1．2 生长压力及载气对AlGaN势垒层的影响

4．2 基于AlGaN／GaN HEMTs结构的SAWs amplification设计、测量

4．2．1 SAWs amplification理论计算

4．2．2 SAWs amplification的实验设计与分析

4．3 本章小结

参考文献

第五章 SiC衬底GaN及AlN的MOCVD外延生长

5．1．1 SiC衬底GaN外延生长工艺

5．1．2 GaN外延层生长模式及结晶质量研究

5．2 SiC衬底上AlN的外延生长研究

5．3 本章小结

参考文献

第六章 基于AlN／SiC的SAWs滤波器及SAWs-PnCs滤波器的模拟研究

6．1 基于AlN／6H-SiC的SAWs滤波器的模拟

6．1．1 基于LiNbO3的SAWs滤波器的模拟与实验

6．1．2 基于AlN／SiC的SAWs滤波器的模拟

6．2 压电材料SAWs-PnCs滤波器的模拟研究

6．2．1 SAWs-PnCs滤波器的模型建立

6．2．2 SAWs-PnCs滤波器能带结构及传输特性研究

6．3 本章小结

参考文献

第七章 主要结论、创新点及有待进一步开展的工作

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 下一步工作

致谢

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附录