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.     

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。     

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...     

GaN基异质结缓冲层漏电分析

通过对GaN基异质结材料C-V特性中耗尽电容的比较,得出AlGaN/GaN异质结缓冲层漏电与成核层的关系.实验结果表明,基于蓝宝石衬底低温GaN成核层和SiC衬底高温AlN成核层的异质结材料比基于蓝宝石衬底低温AlN成核层异质结材料漏电小、背景载流子浓度低.深入分析发现,基于薄成核层的异质结材料在近衬底的GaN缓冲层中具有高浓度的n型GaN导电层,而基于厚成核层的异质结材料的GaN缓冲层则呈高阻特性.GaN缓冲层中的n型导电层是导致器件漏电主要因素之一,适当提高成核层的质量和厚度可有效降低GaN缓冲层的背景载流子浓度,提高GaN缓冲层的高阻特性,抑制缓冲层漏电. 关键词： AlGaN/GaN异质结 GaN缓冲层 漏电 成核层     

高温AlN插入层对AlGaN/GaN异质结材料和HEMTs器件电学特性的影响

研究了在GaN缓冲层中插入40 nm厚高温AlN层的GaN外延层和AlGaN/GaN异质结材料, AlN插入层可以增加GaN层的面内压应力并提高AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的电学特性. 在精确测量布拉格衍射角的基础上定量计算了压应力的大小. 增加的压应力一方面通过增强GaN层的压电极化电场, 提高了AlGaN/GaN异质结二维电子气（2DEG）面密度, 另一方面使AlGaN势垒层对2DEG面密度产生的两方面影响相互抵消. 同时, 这种AlN插入层的采用降低了GaN与AlGaN层之间的 关键词： 高温AlN插入层 AlGaN/GaN异质结 二维电子气 应力     

初始化生长条件对a-GaN中应变的影响

利用高分辨X射线衍射(HRXRD)与拉曼散射光谱(Raman scattering spectra)研究了氮化处理与低温AlN缓冲层对低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)在r面蓝宝石衬底上外延的a面GaN薄膜中的残余应变的影响。实验结果表明:与氮化处理后生长的a-GaN相比,使用低温AlN缓冲层后生长的a-GaN具有较小的摇摆曲线的半高宽和较低的残余应变,而且其结构各向异性和残余应变各向异性也均有一定程度的降低。因此,与氮化处理相比,低温AlN缓冲层更有利于a-GaN的生长。     

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。     

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。     

在6H-SiC衬底上用低压MOVPE法生长AlN和GaN的过程中用(AlN/GaN)多层缓冲层来控制残余应力

人们已提出用BAlGaN四元系材料制备紫外光谱区的光发射器件.GaN和AlN二元系是这种四元材料在器件应用中的基础材料.6H-SiC衬底在氮化物生长中因其晶格失配小是一大优势,而且SiC衬底的热膨胀系数也和AlN的很接近.然而,对于AlN外延层来说,需要控制其中的残余应力,因为在SiC衬底上直接生长的AlN外延层中存在着因晶格失配所产生的压缩应力.另一方面,在SiC衬底上直接生长的GaN外延层中存在着拉伸应力.这种拉伸应力起源于GaN比衬底有着更大的热膨胀系数.本文讨论了在6H-SiC衬底上生长的氮化物外延层中残余应力的类型、数量及控制.为此目的,提出了在6H-SiC衬底上,无论是生长AlN,还是生长GaN,都可以采用(GaN/AlN)多层缓冲层的办法,作为控制残余应力的有效方法.我们还讨论了AlN和GaN外延层的结晶质量和残余应力间的关系.     

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。     

GaN缓冲层对直流反应磁控溅射AlN薄膜的影响(英文)

通过直流磁控反应溅射制备了氮化铝(AlN)薄膜,研究了沉积条件与氮化镓(GaN)缓冲层对薄膜质量的影响。利用X-射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)表征了AlN薄膜的晶体结构和表面形貌。XRD研究结果表明,低工作压强、短靶距和适当的氮气偏压有利于(002)择优取向的AlN薄膜沉积。随着沉积时间的增加,沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上的AlN薄膜的(002)面的衍射峰的半高宽急剧减小,而沉积在1μm厚的GaN薄膜上的AlN薄膜的(002)面的衍射峰的半高宽几乎不变。SEM测试结果表明:在沉积的初期,沉积在1μm厚的GaN薄膜上的AlN薄膜的(002)面的晶粒大小分布比沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上的AlN薄膜的均匀,而随着沉积时间的增加,它们的晶粒大小分布几乎趋向一致。     

Effect of high-temperature buffer thickness on quality of AlN epilayer grown on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition

The effect of an initially grown high-temperature AlN buffer (HT-AlN) layer's thickness on the quality of an AlN epilayer grown on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) in a two-step growth process is investigated. The characteristics of AlN epilayers are analyzed by using triple-axis crystal X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM). It is shown that the crystal quality of the AlN epilayer is closely related to its correlation length. The correlation length is determined by the thickness of the initially grown HT-AlN buffer layer. We find that the optimal HT-AlN buffer thickness for obtaining a high-quality AlN epilayer grown on sapphire substrate is about 20 nm.     

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。     

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。     

Nonpolar a-plane GaN grown on r-plane sapphire using multilayer AlN buffer by metalorganic chemical vapor deposition

Mirror-like and pit-free non-polar a-plane (1 1 −2 0) GaN films are grown on r-plane (1 −1 0 2) sapphire substrates using metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) with multilayer high-low-high temperature AlN buffer layers. The buffer layer structure and film quality are essential to the growth of a flat, crack-free and pit-free a-plane GaN film. The multilayer AlN buffer structure includes a thin low-temperature-deposited AlN (LT-AlN) layer inserted into the high-temperature-deposited AlN (HT-AlN) layer. The results demonstrate that the multilayer AlN buffer structure can improve the surface morphology of the upper a-plane GaN film. The grown multilayer AlN buffer structure reduced the tensile stress on the AlN buffer layers and increased the compressive stress on the a-plane GaN film. The multilayer AlN buffer structure markedly improves the surface morphology of the a-plane GaN film, as revealed by scanning electron microscopy. The effects of various growth V/III ratios was investigated to obtain a-plane GaN films with better surface morphology. The mean roughness of the surface was 1.02 nm, as revealed by atomic force microscopy. Accordingly, the multilayer AlN buffer structure improves the surface morphology and facilitates the complete coalescence of the a-plane GaN layer.     

Engineering of nearly strain-free ZnO films on Si(1 1 1) by tuning AlN buffer thickness

ZnO properties were investigated as a function of AlN buffer layer thickness (0–100 nm) in ZnO/AlN/Si(1 1 1) structures grown by metal organic vapor phase epitaxy. A significant improvement of ZnO film crystallinity by tuning AlN buffer thickness was confirmed by x-ray diffraction, topography and photoluminescence measurements. An optimal AlN buffer layer thickness of 50 nm is defined, which allows for growth of nearly strain-free ZnO films. The presence of free excitons at 10 K suggests high crystal quality for all ZnO samples grown on AlN/Si(1 1 1) templates. The intensities of neutral and ionized donor bound exciton lines are found to correlate with the in-plane and out-of-plane strain in the films, respectively.     

The influence of AlN/GaN superlattice intermediate layer on the properties of GaN grown on Si（111） substrates

AlN/GaN superlattice buffer is inserted between GaN epitaxial layer and Si substrate before epitaxial growth of GaN layer. High-quality and crack-free GaN epitaxial layers can be obtained by inserting AlN/GaN superlattice buffer layer. The influence of AlN/GaN superlattice buffer layer on the properties of GaN films are investigated in this paper. One of the important roles of the superlattice is to release tensile strain between Si substrate and epilayer. Raman spectra show a substantial decrease of in-plane tensile strain in GaN layers by using AlN/GaN superlattice buffer layer. Moreover, TEM cross-sectional images show that the densities of both screw and edge dislocations are significantly reduced. The GaN films grown on Si with the superlattice buffer also have better surface morphology and optical properties.     

图形硅衬底GaN基发光二极管薄膜去除衬底及AlN缓冲层后单个图形内微区发光及 应力变化的研究

研究了图形硅衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜、去除硅衬底后的无损自由状态LED薄膜以及去除氮化铝(AlN)缓冲层后的自由状态LED薄膜单个图形内的微区光致发光(PL)性能, 用荧光显微镜与扫描电镜观测了去除AlN缓冲层前后LED薄膜断面弯曲状况的变化. 研究结果表明: 1)去除硅衬底后, 自由支撑的LED薄膜朝衬底方向呈柱面弯曲状态, 且相邻图形的柱面弯曲方向不一致, 当进一步去除AlN缓冲层后薄膜会由弯曲变为平整; 2)LED薄膜在去除硅衬底前后同一图形内不同位置的PL谱具有显著差异, 而当去除AlN缓冲层后不同位置的PL谱会基本趋于一致; LED薄膜每一位置的PL 谱在去除硅衬底后均出现明显红移, 进一步去除AlN缓冲层后PL谱出现程度不一的微小蓝移; 3)自由支撑的LED薄膜去除AlN缓冲层后, PL光强随激光激发密度变化的线性关系增强, 光衰减得到改善.