异质衬底上HVPE法生长GaN厚膜的研究进展

氮化镓基(GaN)光电器件的快速发展,对GaN的质量提出更高的要求,同质外延可以避免由于失配引起的缺陷,厚膜生长是解决GaN体材料生长困难的有效手段.氢化物气相外延(HVPE)是目前最普遍的制备氮化镓厚膜的方法.衬底对于GaN厚膜的影响不可忽视,本文总结了在蓝宝石、碳化硅和铝酸锂衬底上制备GaN厚膜的研究进展,讨论了今后的研究方向.     

非极性GaN薄膜及其衬底材料

本文分析了在不同衬底上生长无极性GaN薄膜的情况,这些衬底主要包括γ-LiAlO2、r面蓝宝石等.通常在蓝宝石上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的,而c轴是GaN的极性轴,导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场,发光效率会因此降低,发展非极性面外延,有望克服这一物理现象,使发光效率提高.     

宽周期掩膜法HVPE侧向外延自支撑GaN的研究

GaN膜在传统生长过程中主要通过异质外延获得,这往往会产生晶格失配和热失配,给GaN带来严重的位错和应力。目前降低位错最广泛的方法是使用侧向外延技术。在这项工作中,首先在蓝宝石基GaN衬底上沉积了一层SiO₂,并用光刻的方法将其制备成高掩膜宽度(窗口宽度20 μm/掩膜宽度280 μm)的宽周期掩膜,再通过氢化物气相外延(HVPE)侧向外延了厚度为325 μm的GaN厚膜,通过胶带可以将其进行剥离形成自支撑衬底。同时通过二维的Wulff结构图研究了GaN生长过程中晶面的变化趋势。宽周期掩膜法对于生长可剥离的低位错密度自支撑GaN有着重大意义。     

氮化物宽禁带半导体的MOCVD大失配异质外延

以氮化镓(GaN)、AlN(氮化铝)为代表的Ⅲ族氮化物宽禁带半导体是研制短波长光电子器件和高频、高功率电子器件的核心材料体系.由于缺少高质量、低成本的同质GaN和AlN衬底,氮化物半导体主要通过异质外延,特别是大失配异质外延来制备.由此导致的高缺陷密度、残余应力成为当前深紫外发光器件、功率电子器件等氮化物半导体器件发展的主要瓶颈,严重影响了材料和器件性能的提升.本文简要介绍了氮化物半导体金属有机化学气相沉积(MOCVD)大失配异质外延的发展历史,重点介绍了北京大学在蓝宝石衬底上AlN、高Al组分AlGaN的MOCVD外延生长和p型掺杂、Si衬底上GaN薄膜及其异质结构的外延生长和缺陷控制等方面的主要研究进展.最后对Ⅲ族氮化物宽禁带半导体MOCVD大失配异质外延的未来发展做了简要展望.     

氢化物气相外延生长氮化镓单晶衬底的研究进展

氮化镓(GaN)晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子等器件的理想衬底材料,在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景.目前市场上的氮化镓单晶衬底大部分都是通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)方法生长制备的,在市场需求的推动下,近年来HVPE生长技术获得了快速的发展.本论文综述了近年来HVPE方法生长GaN单晶衬底的主要进展,主要内容包含HVPE生长GaN材料的基本原理、GaN单晶中的掺杂与光电性能调控、GaN单晶中的缺陷及其演变规律和GaN单晶衬底在器件中的应用.最后对HVPE生长方法的发展趋势进行了展望.     

BN坩埚中的AIN单晶生长

AIN是第三代直接宽带隙半导体材料的代表，具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在制作大功率微电子器件和紫外探测器等方面，具有广泛的应用前景。AIN在光电子领域的应用潜力也不容忽视。AIN作为GaN材料的衬底，与目前广泛使用的SiC和宝石衬底相比，具有晶格失配位错密度低、热导率高、热膨胀系数差别小等优点，因而能大大提高GaN器件的性能和使用寿命。目前，各国竞相投入大量的人力、物力进行AIN单晶的研究工作。我国在这方面还鲜有报道。本文报道了山东大学在AIN单晶生长探索方面取得的一些进展。     

SiC衬底上生长的GaN外延层的高分辨X射线衍射分析

通过高分辨X射线衍射(HRXRD)技术,对金属有机化合物气相外延(MOCVD)生长的GaN外延膜及SiC衬底的相对取向,晶格常数和应力情况,位错密度等进行了分析.分析表明,GaN和SiC具有一致的a轴取向,GaN外延层弛豫度超过90;,GaN外延层的晶格常数与体块材料相近,在GaN中存在压应力,SiC衬底和GaN外延层中的位错密度分别为107和108量级.     

AlGaN基深紫外LED的外延生长及光电性能研究

AlGaN基材料作为带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料,是制备紫外光电子器件的理想材料。在无法获得大尺寸、低成本的同质衬底的情况下,高质量AlN薄膜的异质外延是促进紫外光电子器件发展的关键。本文中,通过调节蓝宝石衬底上AlN的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长模式产生高密度纳米级孔洞,利用纳米级孔洞降低AlN的位错,并在此基础上外延了AlGaN量子阱结构,得到了275 nm波段的深紫外LED薄膜,并制备了开启电压约为4.8 V,反向漏电电流仅为2.23 μA(-3.0 V电压时)的深紫外LED器件。     

利用Al/AlAs中间层调控GaAs在Si(111)上外延生长的研究

为了实现Ⅲ-V器件在硅基平台上单片集成,近年来Ⅲ-V半导体在硅衬底上的异质外延得到了广泛研究。由于Ⅲ-V半导体与Si之间大的晶格失配以及晶格结构不同,在Si上生长的Ⅲ-V半导体中存在较多的失配位错及反相畴,对器件性能造成严重影响。而Si(111)表面的双原子台阶可以避免Ⅲ-V异质外延过程中形成反相畴。本文利用分子束外延技术通过Al/AlAs作为中间层首次在Si(111)衬底上外延生长了GaAs(111)薄膜。通过一系列对比实验验证了Al/AlAs中间层的插入对GaAs薄膜质量的调控作用,并在此基础上通过低温-高温两步法优化了GaAs的生长条件。结果表明Al/AlAs插层可以为GaAs外延生长提供模板,并在一定程度上释放GaAs与Si之间的失配应力,从而使GaAs薄膜的晶体质量得到提高。以上工作为Ⅲ-V半导体在硅上的生长提供了新思路。     

MOCVD法在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜的性能研究

本文采用MOCVD法分别在a面和c面蓝宝石衬底上生长出7层InGaN/GaN多量子阱结构的GaN薄膜,采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱仪、吸收光谱等手段对样品进行表征.分析表明:a面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜(样品A)的FWHM为781.2 arcsec,c面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜(样品B)的FWHM为979.2 arcsec.样品A和样品B中存在的压应力分别为0.8523 GPa和1.2714 GPa,薄膜的能带宽度(理论值为3.4 eV)分别为3.38 eV和3.37 eV.以上数据表明a面蓝宝石衬底上生长出来GaN薄膜的结晶质量较好,光学性能更优异.