制膜技术与装置

O484.12007010582δ掺杂对Si衬底GaN蓝光LED外延膜性能的影响研究=Effect ofδ-doping on performance of GaN blue LED epi-taxial fil ms on Si substrates[刊,中]/程海英(南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心.江西,南昌(330047)),方文卿…//光学学报.—2006,26(8).—1269-1273用X射线衍射方法通过不同晶面的ω扫描测试,分析了Si衬底GaN蓝光LED外延膜中n-型层δ掺杂Si处理对外延膜结晶性能的影响。报道了Si衬底GaN外延膜系列晶面的半峰全宽(FWHM)值。通过使用晶格-旋转(Lattice-rotation)模型拟合,计算出样品的螺位错密…     

AlN插入层对硅衬底GaN薄膜生长的影响

利用金属有机化合物气相外延沉积技术在2inch(5.08cm)Si(111)图形衬底上生长了GaN外延薄膜,在Al组分渐变AlGaN缓冲层与GaN成核层之间引入了AlN插入层,研究了AlN插入层对GaN薄膜生长的影响。结果表明,随着AlN插入层厚度的增加,GaN外延膜(002)面与(102)面X射线衍射摇摆曲线半峰全宽明显变小,晶体质量变好,同时外延膜在放置过程中所产生的裂纹密度逐渐减小直至不产生裂纹。原因在于AlN插入层的厚度对GaN成核层的生长模式有明显影响,较厚的AlN插入层使GaN成核层倾向于岛状生长,造成后续生长的nGaN外延膜具有更多的侧向外延成分,从而降低了GaN外延膜中的位错密度,减少了GaN外延膜中的残余张应力。同时还提出了一种利用荧光显微镜观察黄带发光形貌来表征GaN成核层形貌和生长模式的新方法。     

界面形核时间对GaN薄膜晶体质量的影响

利用金属有机化学气相沉积技术系统研究了界面形核时间对c面蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜晶体质量的影响机理. 用原子力显微镜、扫描电子显微镜、高分辨X射线衍射仪以及光致发光光谱仪表征材料的晶体质量以及光学性质. 随着形核时间的延长, 退火后形成的形核岛密度减小、尺寸增大、均匀性变差, 使得形核岛合并过程中产生的界面数量先减小后增大, 导致GaN外延层的螺位错和刃位错密度先减小后增大, 这与室温光致发光光谱中得到的带边发光峰与黄带发光峰的比值先增大后降低一致. 研究结果表明, 外延生长过程中, 界面形核时间会对GaN薄膜中的位错演变施加巨大影响, 从而导致GaN外延层的晶体质量以及光学性质的差异.     

X射线分析氢化物汽相外延法生长GaN薄膜

氮化物研究在90年代取得显著进步,成功制造出蓝色发光二极管和激光二极管.由于氮化镓与衬底(如:蓝宝石,碳花硅)间存在大的晶格常数和热膨胀系数失配,外延膜中有非常高的位错密度.研究氢化物汽相外延法生长的氮化镓膜中倾斜和扭转现象,并应用到以X射线摇摆曲线的半峰宽计算氮化镓膜中位错密度.Ф扫描曲线表征外延的氮化镓晶体六方对称性,而极图表明氮化镓膜中存在马赛克结构.计算出螺位错密度为:2.93×109cm-2和刃位错密度为:5.25×1010cm-2.     

In源流量与Ⅲ族流量之比对InGaN/GaN多量子阱性质的影响

利用x射线三轴晶衍射和光致发光谱研究了生长参数In源流量与Ⅲ族流量之比对InGaN/GaN多量子阱结构缺陷(如位错密度和界面粗糙度)和光致发光的影响.通过对（0002）对称和（1012）非对称联动扫描的每一个卫星峰的ω扫描，分别测量出了多量子阱的螺位错和刃位错平均密度，而界面粗糙度则由（0002）对称衍射的卫星峰半高全宽随级数的变化得出.试验发现多量子阱中的位错密度特别是刃位错密度和界面粗糙度随In源流量与Ⅲ族源流量比值的增加而增加，导致室温下光致发光性质的降低，从而也证明了刃位错在InGaN/GaN 关键词： x射线三轴晶衍射 界面粗糙度 位错 InGaN/GaN多量子阱     

AlN/蓝宝石模板上生长的GaN研究

研究了在分子束外延制备的AlN/蓝宝石模板上采用金属有机物化学气相外延生长的非故意掺杂GaN的材料性质.采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和原子力显微镜研究了AlN模板的晶体质量和表面相貌对GaN的影响.结果表明,当AlN的表面粗糙度较小时,尽管AlN模板的位错密度较高((102)面XRD ω扫描半高全宽900—1500 arcsec),但生长得到的GaN依然具有和在蓝宝石衬底上采用"二步法"生长的GaN可比拟的晶体质量((002)面XRD ω扫描半高全宽200—30 关键词： 氮化镓 氮化铝 金属有机物化学气相外延     

金属有机物化学气相沉积同质外延GaN薄膜表面形貌的改善

为了获得高质量的GaN薄膜材料,研究了金属有机物气相沉积系统中GaN插入层对GaN衬底同质外延层表面宏观缺陷和晶体质量的影响.研究发现,插入层生长温度是影响GaN同质外延膜表面形貌和晶体质量的关键因素.由于生长模式与插入层生长温度相关,随着插入层生长温度的降低,外延膜生长模式由准台阶流模式转变为层状模式,GaN同质外延膜表面丘壑状宏观缺陷逐渐减少,但微观位错密度逐渐增大.通过对插入层温度和厚度的优化,进一步调控外延层的生长模式,最终有效降低了外延层表面的宏观缺陷,获得了表面原子级光滑平整、位错密度极低的GaN同质外延膜,其X射线衍射摇摆曲线(002),(102)晶面半峰宽分别为125arcsec和85arcsec,表面粗糙度均方根大小为0.23nm.     

非故意掺杂GaN薄膜方块电阻与载气中N2比例关系研究

利用金属有机气相外延方法研究了非故意掺杂GaN薄膜的方块电阻与高温GaN体材料生长时载气中N2比例的关系.研究发现,随着载气中N2比例的增加,GaN薄膜方块电阻急剧增加.当载气中N2比例为50%时,GaN薄膜方块电阻达1.1×108Ω/□,且GaN表面平整,均方根粗糙度为0.233 nm.二次离子质谱分析发现,载气中N2比例不同的样品中碳、氧杂质含量无明显差别.随着载气中N2比例的增加,GaN材料中螺型位错相关缺陷密度无明显变化,而刃型位错相关缺陷密度明显增加.结果表明,刃型位错的受主补偿作用是导致GaN薄膜方块电阻变化的主要原因.     

H2载气流量对AlN缓冲层生长的影响

在Si(111)衬底上用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长了AlN和GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射、椭圆偏振光谱仪和原子力显微镜研究了AlN缓冲层生长时的载气(H2)流量变化对GaN外延层的影响。椭圆偏振仪测试表明:相同生长时间内AlN的厚度随着H2流量的增加而增加,即H2流量增加会导致AlN生长速率的提高。原子力显微镜测试表明:随着H2流量的增加,AlN表面粗糙度也呈上升趋势。XRD测试表明:随着AlN生长时的H2流量的增加,GaN的(0002)和(1012)峰值半宽增大,即螺型穿透位错密度和刃型穿透位错密度增加。可能是由于AlN缓冲层的表面形貌较差,导致GaN的晶体质量有所下降。实验结果表明:采用较低的H2流量生长AlN缓冲层可以控制AlN的生长速率,在一定程度上有助于提高GaN的晶体质量。     

梯度铝镓氮缓冲层对氮化镓外延层性质的影响

采用金属有机物化学气相沉积系统在硅面碳化硅衬底的(0001)面上生长氮化铝缓冲层,并通过改变3层梯度铝镓氮(Al_xGa_(1-x)N:x=0.8,0.5,0.2)缓冲层的生长温度和氨气流量,制备出了高质量的氮化镓外延层。分别采用X射线衍射、原子力显微镜、光致发光谱和拉曼光谱对氮化镓外延层进行表征。实验结果表明,随着氮化镓外延层中张应力的降低,样品的晶体质量、表面形貌和光学质量都有显著提高。在最优的梯度铝镓氮缓冲层的生长条件下,氮化镓外延层中的应力值最小,氮化镓(0002)和(1012)面的摇摆曲线半峰宽分别为191 arcsec和243 arcsec,薄膜螺位错密度和刃位错密度分别为7×10~7cm~(-2)和3.1×108cm~(-2),样品表面粗糙度为0.381 nm。这说明梯度铝镓氮缓冲层可以改变氮化镓外延层的应力状态,显著提高氮化镓外延层的晶体质量。     

Si(111)衬底上GaN的MOCVD生长

利用LP-MOCVD在Si（111）衬底上,以高温AIN为缓冲层,分别用低温GaN（LT-GaN）和偏离化学计量比富Ga高温GaN（HT-GaN）为过渡层外延生长六方相GaN薄膜。采用高分辨率双晶X射线衍射（DCXRD）,扫描电子显微镜（SEM）,原子力显微镜（AFM）和室温光致荧光光谱（RT-PL）进行分析。结果表明,有偏离化学计量比富Ga HT-GaN为过渡层生长的GaN薄膜质量和光致荧光特性均明显优于以LT-GaN为过渡层生长的GaN薄膜,得到GaN（0002）和（1012）的DCXRD峰,其半峰全宽（FWHM）分别为698s和842s,室温下的光致荧光光谱在361nm处有一个很强的发光峰,其半峰全宽为44．3meV。     

SiN钝化膜对Si衬底GaN基蓝光LED性能影响

利用等离子辅助化学气相沉积(PECVD)系统在垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED芯片上生长了SiN钝化膜,并对长有钝化膜及未作钝化处理的LED在不同条件下进行了老化实验,首次研究了SiN钝化膜对垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED可靠性的影响。实验发现:经过30mA、85℃、24h条件老化后,未作钝化处理的Si衬底GaN基蓝光LED的平均光衰为11.41%,而长有SiN钝化膜的LED平均光衰为6.06%,SiN钝化膜有效地改善了LED在各种老化条件下的光衰,另外,SiN钝化膜缓解了Si衬底GaN基蓝光LED老化过程中反向电压(Vr)的下降,但对老化后LED的抗静电击穿能力(ESD)没有明显的影响。     

AIN/蓝宝石模板上生长的GaN研究

研究了在分子束外延制备的AIN/蓝宝石模板上采用金属有机物化学气相外延生长的非故意掺杂GaN的材料性质.采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和原子力显微镜研究了AIN模板的晶体质量和表面相貌对GaN的影响.结果表明,当AIN的表面粗糙度较小时,尽管AIN模板的位错密度较高((102)面XRD ω扫描半高全宽900-1500 arcsec),但生长得到的GaN依然具有和在蓝宝石衬底上采用"二步法"生长的GaN可比拟的晶体质量((002)面XRD ω扫描半高伞宽200-300 arcsec,(102)面400-500 arcsec)和表面粗糙度(0.1-0.2 nm).TEM照片表明GaN中位错密度降低的原因是AIN中的一部分位错在AIN和GaN的界面处被终止而未能延伸至GaN中.这可能是因为Ga原子尺寸较大,具有修复晶格缺陷的作用.而当AIN的表面粗糙度较大时,Ga原子在MOVPE生长过程中的迁移受到影响.得到的GaN晶体质量非常差.此外,采用范德堡法测量的GaN电阻率为105-106Ω·cm,比蓝宝石衬底上生长的GaN高大约6个数量级,这被认为是采用AIN代替GaN低温缓冲层所致.     

常压化学气相沉积法在Ag/Si(111)模板上生长ZnO薄膜及其性能研究

在Si衬底上利用磁控溅射的方法沉积1.5 nm厚度的Ag膜用以阻挡Si衬底被氧化。采用常压金属有机化学气相沉积法(MOVCD),在Ag/Si(111)衬底上成功地生长出马赛克结构的ZnO薄膜。用光学显微镜观察表面形貌,结果显示有带晶向特征的微裂纹,裂纹密度为100 cm-1。依据X射线晶体衍射的结果,薄膜结晶质量良好,呈C轴高度择优取向。用双晶X射线衍射得到(002)面的ω扫描半峰宽为1.37°。温度10 K时光致发光谱(PL)观察到自由激子、束缚激子发射及它们的声子伴线。结果表明,金属有机化学气相沉积法方法在Si(111)衬底上制备ZnO薄膜时,Ag是一种有效的缓冲层。     

XRD法计算4H-SiC外延单晶中的位错密度

对用X射线衍射法计算4H-SiC外延中的位错密度方法进行了理论和实验研究。材料中的位错密度大于106 cm-2会给材料位错密度的测试会带来一定的困难。首先从理论上分析了位错密度对X射线衍射结果的影响,得出位错密度和峰宽FWHM展宽的关系。然后对4H-SiC样品进行了X射线三轴晶ω-2θ测试,采用不同晶面衍射峰,计算出样品的位错密度。分析了外延中位错产生的原因,并提出了相应的解决办法。     

SiNx插入层的生长位置对GaN外延薄膜性质的影响

系统研究了纳米量级的多孔 SiNx插入层生长位置对高质量GaN外延薄膜性质的影响.高分辨X射线衍射测量结果表明:SiNx插入层生长在CaN粗糙层上能够得到最好的晶体质量.利用测量结果分别计算出了螺位错和刃位错的密度.此外,GaN薄膜的光学、电学性质分别用Raman散射能谱、低温光致发光能谱和霍尔测量的方法进行了表征.实...     

MOVPE低温生长的n型GaN电学特性研究

系统研究了采用金属有机物化学气相外延方法在740℃和900℃条件下生长的n型GaN的电学特性. 电化学电容-电压测试表明,在低温条件下采用三乙基镓作为Ga源生长有利于降低非故意掺杂n型GaN的背景杂质浓度. 另外,对重掺Si的n型GaN的霍耳效应测试表明,随着Si掺杂浓度增大,电子浓度相应线性增大,表现出杂质带导电特性,而迁移率则相应减小. 同时,原子力显微镜测试和X射线衍射测试均表明生长温度和掺杂浓度对外延材料的表面形貌和晶体质量有影响,特别是在高掺杂浓度的情况下,样品的表面形貌恶化更严重. 在所研究的 关键词： n型GaN 电子浓度 迁移率     

常压MOCVD生长ZnO/GaN/Al2O3薄膜及其性能

以去离子水（H2O）和二乙基锌（DEZn）为源材料,生长温度是680℃时,利用常压MOCVD在GaN／Al2O3模板上成功生长了ZnO单晶薄膜,用原子力显微镜（AFM）、X射线双晶衍射（DCXRD）、光致发光谱（PL）对ZnO薄膜的表面形貌、结晶学性质、光学性质作了综合研究。双晶衍射表明,ZnO非对称（1012）面ω扫描的半峰全宽（FWHM）仅为420arcsec,估算所生长ZnO膜的位错密度大约为10^3／cm^2量级,这与具有器件质量的GaN材料的位错密度相当。在ZnO薄膜的低温15K光荧光谱中,观察到很强的自由激子和束缚激子发射以及自由激子与束缚激子的多级声子伴线。     

GaN薄膜拉曼散射光谱的研究

利用拉曼散射光谱对在SiC衬底上采用MOCVD异质外延的未故意掺杂GaN薄膜特性进行研究发现E2模式向频率低的方向漂移表明在GaN薄膜中存在张力,由于SiC衬底不平整度增加引起更多位错的出现,从而引起拉曼谱中E2模式的加宽,因此通过选择平整度较好的衬底可以减小缺陷密度,提高薄膜的质量,此外A1(LO)模式的出现与强度可以用来表征未掺杂GaN的薄膜质量。     

Si衬底上InP纳米线的晶体结构和光学性质

采用金属有机化学气相沉积技术,利用自催化法,在Si(100)、(111)衬底上成功生长了InP纳米线。利用扫描电镜观察样品表面,在Si(100)、(111)衬底上生长的纳米线形貌相似,纳米线面密度不同。利用X射线衍射和透射电镜研究纳米线的生长取向和晶体结构,结果显示纳米线具有闪锌矿结构,生长方向〈111〉,并且具有层状孪晶结构。与InP体材料相比,纳米线的光致发光峰位蓝移,半峰全宽增大,拉曼散射TO和LO峰向低波数频移,频移随激发光功率减弱而减小。