AlN缓冲层对Si基GaN外延薄膜性质的影响

采用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）方法制备了不同AlN缓冲层厚度的GaN样品,研究了AlN缓冲层厚度对GaN外延层的应力、表面形貌和晶体质量的影响。研究结果表明：厚度为15 nm的AlN缓冲层不仅可以有效抑制Si扩散,而且还给GaN外延层提供了一个较大的压应力,避免GaN薄膜出现裂纹。在该厚度AlN缓冲层上制备的GaN薄膜表面光亮、无裂纹,受到的张应力为0.3 GPa,（0002）和（1012）面的高分辨X射线衍射摇摆曲线峰值半高宽分别为536 arcsec和594 arcsec,原子力显微镜测试得到表面粗糙度为0.2 nm。     

MOCVD生长Si衬底上HT-AlN缓冲层低生长压力对GaN薄膜的影响

采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在Si（111）衬底上外延GaN薄膜,对高温AlN（HT-AlN）缓冲层在小范围内低生长压力（6.7~16.6 kPa）条件下对GaN薄膜特性的影响进行了研究。研究结果表明GaN外延层的表面形貌、结构和光学性质对HT-AlN缓冲层的生长压力有很强的的依赖关系。增加HT-AlN缓冲层的生长压力,GaN薄膜的光学和形貌特性均有明显改善,当HT-AlN缓冲层的生长压力为13.3 kPa时,得到无裂纹的GaN薄膜,其（002）和（102）面的X射线衍射峰值半高宽分别为735 arcsec和778 arcsec,由拉曼光谱计算得到的张应力为0.437 GPa,原子力显微镜（AFM）观测到表面粗糙度为1.57 nm。     

低温缓冲层对氧化锌薄膜质量的影响

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法,在Si衬底上外延生长ZnO薄膜。为了改善氧化锌薄膜的质量,首先在Si衬底上生长低温ZnO缓冲层,然后再生长高质量的ZnO薄膜。通过XRD、SEM、光致发光(PL)光谱的实验研究,发现低温ZnO缓冲层可有效降低ZnO薄膜和Si衬底之间的晶格失配以及因热膨胀系数不同引起的晶格畸变。利用低温缓冲层生长的ZnO薄膜的(002)面衍射峰的强度要比直接在Si上生长的ZnO薄膜样品的高,并且衍射峰的半高宽也由0.21°减小到0.18°,同时有低温缓冲层的样品室温下的光致发光峰也有了明显的增高。这说明利用低温缓冲层生长的ZnO薄膜的结晶质量和光学性质都得到了明显改善。     

ZnO/A1lN/Si(111)薄膜的外延生长和性能研究

用常压金属化学气相沉积法(MOCVD)在Si(111)衬底上制备了马赛克结构ZnO单晶薄膜.引入低温AlN缓冲层以阻止衬底氧化、缓解热失配和晶格失配.薄膜双晶X射线衍射2θ/ω联动扫描只出现了Si(111)、ZnO(000l)及AlN(000l)的衍射峰.ZnO/AlN/Si(111)薄膜C方向晶格常量为0.5195 nm,表明在面方向处于张应力状态;其对称(0002)面和斜对称(1012)面的双晶X射线衍ω摇摆曲线半峰全宽分别为460"和1105";干涉显微镜观察其表面有微裂纹,裂纹密度为20 cm-1;3 μm×3μm范围的原子力显微镜均方根粗糙度为1.5 nm激光实时监测曲线表明薄膜为准二维生长,生长速率4.3μm/h.低温10 K光致发光光谱观察到了薄膜的自由激子、束缚激子发射及它们的声子伴线.所有结果表明,采用金属化学气相沉积法并引入AlN为缓冲层能有效提高Si(111)衬底上ZnO薄膜的质量.     

脉冲激光沉积GaN薄膜的结构和光学特性研究

采用准分子脉冲激光,在Si(111)衬底上生长了带有AlN缓冲层的GaN薄膜, 利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和光致发光光谱(PL)等测试手段研究了不同沉积温度所生长的GaN薄膜结构特征和光学性能.研究表明:沉积温度影响GaN薄膜结构和光学性能,黄带发射峰主要与晶体缺陷有关.在400～700℃沉积范围内随着温度升高,GaN薄膜结构和光学性能提高.     

国产SiC衬底上利用AIN缓冲层生长高质量GaN外延薄膜

采用高温AlN作为缓冲层在国产SiC衬底上利用金属有机物化学气相外延技术生长GaN外延薄膜.通过优化AlN缓冲层的生长参数得到了高质量的GaN外延薄膜,其对称(0002)面和非对称(1012)面X射线衍射摇摆曲线的半峰宽分别达到130 arcsec和252 arcsec,这是目前报道的在国产SiC衬底上生长GaN最好的...     

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。     

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。     

氮化铝单晶薄膜的ECR PEMOCVD低温生长研究

采用电子回旋共振等离子体增强金属有机物化学气相沉积（ECR－PEMOCVD）技术，在c轴取向的蓝宝石即α Al2O3（0001）衬底上，以氮化镓（GaN）缓冲层和外延层作为初始层，分别以高纯氮气（N2）和三甲基铝(TMAl)为氮源和铝源低温生长氮化铝（AlN）薄膜.并利用反射高能电子衍射（RHEED）、原子力显微镜（AFM）和x射线衍射（XRD）等测量结果，研究了氢等离子体清洗、氮化和GaN初始层对六方AlN外延层质量的影响，从而获得解理性与α Al2O3衬底一致的六方相AlN单晶薄膜，其XRD半高宽为1 关键词： AlN 氢等离子体清洗 氮化 GaN     

多晶金刚石对硅基氮化镓材料的影响

氮化镓(GaN)器件的自热问题是目前限制其性能的关键因素,在GaN材料上直接生长多晶金刚石改善器件的自热问题成为研究的热点,多晶金刚石距离GaN器件工作有源区近,散热效率高,但多晶金刚石和GaN材料热失配可能会导致GaN电特性衰退.本文采用微波等离子体化学气相沉积法,在2 in (1 in=2.54 cm)Si基GaN材料上生长多晶金刚石.测试结果显示,多晶金刚石整体均匀一致,生长金刚石厚度为9—81 μm,随着多晶金刚石厚度的增大, GaN (002)衍射峰半高宽增量和电性能衰退逐渐增大.通过激光切割和酸法腐蚀,将Si基GaN材料从多晶金刚石上完整地剥离下来.测试结果表明:金刚石高温生长过程中,氢原子对氮化硅外延层缺陷位置有刻蚀作用形成孔洞区域,刻蚀深度可达本征GaN层;在降温过程,孔洞周围形成裂纹区域.剥离下来的Si基GaN材料拉曼特征峰峰位, XRD的(002)衍射峰半高宽以及电性能均恢复到本征状态,说明多晶金刚石与Si基GaN热失配产生应力,引起GaN晶格畸变,导致GaN材料电特性衰退,这种变化具有可恢复性,而非破坏性.     

Si基GaN的微结构表征

采用快速辐射加热/低压-金属有机化学气相淀积(RTP/LP-MOCVD)方法分别以AlN和阳极氧化铝为缓冲层材料在Si衬底上外延生长GaN薄膜,通过X射线衍射谱(XRD)、光荧光谱(PL)、拉曼散射谱(RamanScattering)等手段对它们的微结构进行了表征和分析,结果指出AlN是优良的缓冲层材料。     

利用MOCVD在r面蓝宝石上生长的α面GaN中两步AlN缓冲层的优化

采用两步AlN缓冲层(一层低温AlN和一层高温AlN)在r面蓝宝石衬底上生长了非极性的α面GaN,并利用高分辨X射线衍射和光致荧光谱对所生长的材料进行了研究.两步AIN缓冲层在我们之前的工作中已被证明比单步高温AlN或低温GaN缓冲层更有利于减小材料各向异性和提高晶体质量,本文进一步优化了两步AlN缓冲层的结构,并得到...     

磁控反应溅射AlN缓冲层对GaN基LED器件性能的影响

以直流磁控反应溅射法(RMS)在图形化蓝宝石衬底上制备的AlN薄膜作为缓冲层,采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)外延生长了GaN基LED。与MOCVD生长的低温GaN缓冲层相比,RMS制备的AlN缓冲层具有表面更平整、颗粒更小的形核岛,有利于促进GaN外延的横向生长,减少了形核岛合并时的界面数量和高度差异,降低了缺陷和位错产生的几率。研究结果表明,溅射AlN缓冲层取代传统低温GaN缓冲层后,外延生长的GaN材料具有更高的晶体质量,LED器件在亮度、漏电和抗静电能力等光电特性上均有明显提升。     

利用MOCVD在r面蓝宝石上生长的α面GaN中两步AlN缓冲层的优化

采用两步AlN缓冲层(一层低温AlN和一层高温AlN)在r面蓝宝石衬底上生长了非极性的α面GaN,并利用高分辨X射线衍射和光致荧光谱对所生长的材料进行了研究.两步AIN缓冲层在我们之前的工作中已被证明比单步高温AlN或低温GaN缓冲层更有利于减小材料各向异性和提高晶体质量,本文进一步优化了两步AlN缓冲层的结构,并得到了各向异性更小,晶体质量更好的α面GaN薄膜.分析表明,两步AlN缓冲层中的低温AlN层在减小各向异性中起着关键作用.低温AlN层能抑制了优势方向(c轴)的原子迁移,有利于劣势方向(m轴)的原子迁移,从而减小了Al原子在不同方向迁移能力的差异,并为其后的高温AlN缓冲层和GaN层提供"生长模板",以得到各向异性更小、晶体质量更好的α面GaN材料.     

Structural characterization and optoelectronic properties of GaN thin films on Si(111) substrates using pulsed laser deposition assisted by gas discharge

GaN films have been grown on Si(111) substrates with a thin AlN buffer layer using pulsed laser deposition (PLD) assisted by gas discharge. The crystalline quality, surface morphology and optoelectronic properties of the deposited films were characterized by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), photoluminescence (PL) spectroscopy, and room-temperature Van der Pauw–Hall measurements. The influence of the deposition temperature in the range 637–1037 K on the crystallinity of GaN films, the laser incident energy in the range 150–250 mJ/pulse on the surface morphology and the optoelectronic properties were systematically studied. The XRD analysis shows that the crystalline quality of the GaN films improves with increasing deposition temperature to 937 K, but further increase of the deposition temperature to 1037 K leads to the degradation of the crystalline quality. AFM results show that the surface roughness of the GaN films can be decreased with increasing laser incident energy to 220 mJ/pulse. Further increase of the laser incident energy to 250 mJ/pulse leads to an increase in the surface roughness. The optoelectronic properties of GaN films were also improved by increasing the laser incident energy to 220 mJ/pulse. GaN films which have a n-type carrier concentration of 1.26×10¹⁷ cm^-3 and a mobility of 158.1 cm²/Vs can be deposited at a substrate temperature of 937 K, a deposition pressure of 20 Pa and a laser incident energy of 220 mJ/pulse. Their room-temperature PL spectra exhibit a strong band-edge emission at 365 nm. PACS 81.15.Fg; 81.05.Ea; 78.20.-e; 73.61.Ey; 78.66.Fd     

高阻GaN的MOCVD外延生长

利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长了高阻GaN薄膜。对GaN成核层生长的反应室压力、生长时间和载气类型对GaN缓冲层电学特性的影响进行了分析。实验结果表明,延长GaN成核层的生长时间,降低成核层生长时的反应室压力,载气由H₂换为N₂都会得到高阻的GaN缓冲层。样品的方块电阻R_s最高为2.49×10¹¹ Ω/□。以高阻GaN样品为衬底制备了AlGaN/AlN/GaN结构HEMT器件,迁移率最高达1 230 cm²/(V·s)。     

直流反应磁控溅射在氮化的蓝宝石衬底上制备AlN薄膜

通过直流磁控反应溅射装置,在蓝宝石(0001)衬底和氮化的蓝宝石(0001)衬底上成功制备了氮化铝(AIN)薄膜。利用X射线衍射仪、原子力学显微镜和双光束扫描分光计,研究了蓝宝石氮化对AIN薄膜结构、应力、晶粒尺寸、形貌和光学性质的影响。X射线衍射研究表明:制备的AIN薄膜具有较强的(0002)择优取向,蓝宝石衬底的氮化不仅能够改善AIN结晶质量,而且还可以减少薄膜的残余应力。但是,原子力学显微镜结果表明:在蓝宝石衬底上制备的AIN薄膜的晶粒大小分布比在氮化的蓝宝石衬底上制备的AIN薄膜的晶粒大小分布更加均匀。我们认为,蓝宝石衬底在氮化的过程中形成的AIN具有过多的位错和缺陷,正是这些位错和缺陷造成了在氮化的蓝宝石衬底上制备的AIN薄膜的晶粒大小分布的不均匀性。吸收光谱显示:蓝宝石衬底的氮化并没有对AIN薄膜的光学性质产生明显的改善。     

Optical and structural investigation of a-plane GaN layers on r-plane sapphire with nucleation layer optimization

Nonpolar a-plane GaN epilayers are grown on several r-plane sapphire substrates by metal organic chemical vapour deposition using different nucleation layers:(A) a GaN nucleation layer deposited at low temperature(LT);(B) an AlN nucleation layer deposited at high temperature;or(C) an LT thin AlN nucleation layer with an AlN layer and an AlN/AlGaN superlattice both subsequently deposited at high temperature.The samples have been characterized by Xray diffraction(XRD),atomic force microscopy and photoluminescence.The GaN layers grown using nucleation layers B and C show narrower XRD rocking curves than that using nucleation layer A,indicating a reduction in crystal defect density.Furthermore,the GaN layer grown using nucleation layer C exhibits a surface morphology with triangular defect pits eliminated completely.The improved optical property,corresponding to the enhanced crystal quality,is also confirmed by temperature-dependent and excitation power-dependent photoluminescence measurements.