非极性GaN外延薄膜的低位错生长方法研究

摘要

目前,GaN材料已经广泛应用于电子器件和发光器件,比如高电子迁移率晶体管和发光二极管。通常大多数的GaN基器件用到的是沿着极性[0001]方向生长的GaN材料。极性GaN材料由于其特殊的原子排列结构导致产生平行于生长方向的极化电场,这对于形成高电子迁移率晶体管中的二维电子气十分有利。然而,极化电场同样会导致量子阱内电子和空穴波函数的分离,从而导致发光产生红移,同时发光二极管中载流子复合效率也受到抑制,这种现象称为量子限制斯塔克效应。因此人们尝试通过各种手段降低极化电场改善发光器件性能。其中非极性材料由于其内建电场位于 GaN材料面内垂直于生长轴方向,因此得到了广泛的关注。然而和 c面极性 GaN不同的是,非极性材料由于其非常强的各向异性导致材料的位错和层错密度很大。想得到高质量且表面光滑的非极性材料十分不容易,这也严重制约了非极性材料的广泛应用。因此,本文将研究的重点放在了减少非极性材料的位错和层错密度提高结晶质量上来。主要的工作和结论如下:
　　1.采用浓度为97％的H3PO4对非极性GaN材料腐蚀特性进行了研究。发现不同温度和腐蚀时间下非极性GaN材料的腐蚀速率不同。当温度过低时腐蚀很难进行,温度越高腐蚀越快。同时对腐蚀材料的表面形貌进行了研究。发现腐蚀呈现各向异性,并且腐蚀具有选择性。样品沿着-c轴方向的腐蚀速率比较快而+c方向腐蚀很难进行,这是由于沿着-c方向样品存在着容易腐蚀的N面GaN。同时对酸溶液腐蚀的机理进行了分析说明。
　　2.利用前面非极性材料腐蚀出的沟道,我们在腐蚀后的样品上进行非极性 a面 GaN材料的再生长研究。发现腐蚀后再生长的GaN样品和没有腐蚀直接再生长的样品相比较,材料的位错密度有了明显的降低,结晶质量得到明显的提升。因此湿法腐蚀再生长提供了一种简便有效的改善非极性GaN材料结晶质量的手段。
　　3.通过PECVD在GaN底板上淀积SiNx,并对淀积后的材料进行二次生长。我们发现和没有插入层的材料相比,插入了SiNx的材料的位错和层错密度均有非常大的降低,材料的结晶质量有了很大的提升。同时我们也通过透射电子显微镜研究了插入层对于位错和层错密度的影响。在试验中我们也对插入层的淀积时间进行了优化。除此之外,我们将本次试验和原位淀积SiNx插入层的再生长实验进行了对比。发现非原位插入层样品的Si掺杂浓度和原位相比有了很大的降低,这对于电子器件所需的半绝缘衬底非常有利。同时和原位试验得到的最优化材料相比,本次试验得到的样品结晶质量更好一些。这也说明了相比于原位淀积的插入层,非原位插入层更加有效率。因此,本方法也是一种简单高效的提高非极性GaN材料结晶质量的手段。

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第一章 绪论

1.1 非极性材料的研究意义

1.2 量子限制斯塔克效应

1.3 非极性材料的研究现状和进展

1.4 非极性材料的优点和存在的问题

1.5 本文的研究内容

第二章 非极性材料的生长及表征

2.1 非极性材料表征手段介绍

2.2 非极性材料的特性与表征方法

2.3 非极性材料的生长方法简介

2.4 本章小结

第三章 基于湿法腐蚀的高质量非极性材料生长研究

3.1 湿法腐蚀简介

3.2 非极性 GaN 的湿法腐蚀研究

3.3 湿法腐蚀提高非极性材料的结晶质量

3.4 本章小结

第四章 SiNx 插入层对非极性 GaN 材料的影响

4.1 ELOG 简介

4.2 外部淀积 SiNx 插入层对非极性材料的影响

4.3 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间研究成果与获奖情况