GaN外延薄膜点缺陷与材料电学光学性质关系研究

摘要

GaN材料作为一种第三代半导体材料,具有宽禁带、高电子饱和漂移速度和高击穿场强等优点,目前被广泛用于研制各种光电器件和高温、高频微波大功率器件。器件级的GaN材料大多数都是在异质衬底上用MOCVD的方法外延得到的。由于衬底和GaN外延层之间存在较大的晶格失配和热失配,以及材料的生长方式,导致GaN外延层中存在很多的缺陷,这些缺陷主要包括高密度的位错和各种点缺陷。高密度的缺陷会影响器件工作的方方面面,因此探究不同种类的缺陷对材料和器件产生的不同影响,以及如何获得低缺陷密度的GaN材料是本领域的研究重点。GaN材料作为一种新型的半导体材料,人们对材料特性的研究仍然不够充分,与GaN材料相关的很多物理机理需要得到进一步的研究。
　　 本文的重点是研究GaN材料的点缺陷对GaN薄膜光学和电学性质的影响。本文研究的实验样品,基本上全部是由拥有自主产权的西安电子科技大学的MOCVD生长获得,借鉴国内外研究的成果,结合理论分析,通过实验手段,研究GaN中部分点缺陷的表征及物理作用机理。本文的主要工作和成果如下:
　　 1.从GaN材料的电学特性着眼,研究了AlGaN／GaN HEMT材料的GaN外延层的漏电问题。首先确定漏电是因为GaN材料中的点缺陷提供的背景载流子造成的；接着,从理论的角度排除了GaN中可能起施主作用的氮空位(VN)、氮间位(Ni)、镓间位(Gai)、氮反位(NGa)这些本征点缺陷是非故意掺杂的呈n型GaN薄膜中背景载流子的主要来源；接下来,用SIMS手段表征GaN薄膜中的杂质缺陷,通过比较分析,得出了O杂质是非故意掺杂的GaN外延层中n载流子主要来源的结论,并指出O元素主要来源于蓝宝石衬底的分解。
　　 2.通过多组的对比实验和因素排除,得出在GaN外延层C、O含量均较低的材料中,掩埋电荷层是GaN外延层漏电主导因为的结论。同时,分析得出螺位错密度和成核层的质量是影响衬底O杂质向上扩散的主要因素。另外,通过XPS的表征手段,揭示了GaN外延层中n型背景载流子会被少量的C元素补偿的现象,并详细说明了C元素的作用机理。
　　 3.发现了C杂质的含量与黄带发光强度有着一致性的联系。选取了具有代表性的7个结构不同、C含量不同的样品,对它们的黄带发光强度和C含量进行了比对,得出了C杂质是黄带的主要来源的结论。并对C元素导致黄带做了物理机理分析,指出n型GaN内的C杂质受光激发后由非平衡态CN0向稳定态CN-1复合时辐射,可能是黄带发射的主要因为。
　　 4.提出了一种间接判断镓空位(VGa)浓度的表征方法,通过Ⅴ／Ⅲ比生长数据比较法,n型载流子浓度SIMS测试法和Ga／N比值XPS测试法这三种方式来组合分析镓空位(VGa)的相对浓度。
　　 5.比较分析了不同样品C含量不同的因为。分别指出MOCVD比HVPE生长方法得到GaN材料中C含量高是因为源的因为；用C杂质结合模型解释了非极性a面GaN比极性c面GaN中C含量高是因为晶面的因为,a面GaN中的N位更容易被C原子所替代；指出了Fe原子因为体积更大对N位保护作用更好,从而减少了C的含量。
　　 6.指出成核层的种类、厚度和生长温度对杂质O和C含量影响均大,成核层的越厚,对衬底O的阻挡作用越好,而低温成核层系统因为其在升温的时候要重结晶,所以不能生长太厚,而高温AlN成核层是边成核边结晶的模式,所以基于HT-AIN成核层得到的GaN外延层质量较高,C、O含量较低。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 GaN基材料的优势

1.1.1 GaN基材料在微波功率器件方面的优势

1.1.2 GaN基在光电器件方面的优势

1.2 GaN材料的缺陷问题

1.2.1 GaN材料的缺陷类型

1.2.2 GaN材料点缺陷

1.3 本文的主要工作与安排

第二章 GaN材料生长工艺及本文涉及的表征方法

2.1 GaN晶体的生长

2.1.1 GaN体晶生长技术

2.1.2 GaN晶体外延生长技术

2.1.3 GaN晶体外延生长衬底的选择

2.2 MOCVD系统介绍

2.2.1 MOCVD生长GaN薄膜的机理

2.2.2 MOCVD生长GaN薄膜的工艺流程

2.2.3 西电MOCVD系统

2.3 GaN材料研究中本文涉及的表征手段

2.3.1 二次离子质谱分析(SIMS)

2.3.2 X射线光电子谱(XPS)

2.3.3 光致发光谱(PL)

2.3.4 电容-电压测试(C-V)

2.3.5 高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)

2.3.6 原子力显微镜(AFM)

2.4 本章小结

第三章 GaN外延层漏电与点缺陷关系研究

3.1 GaN外延层漏电问题的提出

3.2 GaN外延层漏电情况的表征

3.2.1 C-V测试方法

3.2.2 台面隔离测试方法

3.3 GaN外延层漏电的机理分析

3.3.1 GaN外延层中n型载流子的来源分析

3.3.2 GaN外延层漏电机理分析

3.4 高阻GaN外延层的获得

3.4.1 不同成核层对GaN外延层高阻特性的影响

3.4.2 其他获得高阻GaN外延层的方法

3.5 本章小结

第四章 GaN外延层点缺陷与黄带发光关系研究

4.1 PL谱黄带发光问题的提出

4.2 黄带发光的主要机理探究

4.2.1 黄带发光与C杂质相关性分析

4.2.2 黄带发光其他机理排除

4.2.3 C杂质导致黄带发光机理

4.3 C杂质在不同样品中的含量分析

4.3.1 非极性面GaN与极性GaN的C杂质结合

4.3.2 MOCVD与HVFE方式生长的GaN中C元素比较分析

4.3.3 不同成核层对GaN薄膜的C杂质含量的影响

4.3.4 Fe掺杂对C杂质分布的影响

4.4 本章小结

第五章 结束语

致谢

参考文献

作者攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目