N极性GaN薄膜的MOCVD外延生长

采用MOCVD技术在c面蓝宝石衬底上外延制备了N极性GaN薄膜。通过KOH腐蚀的方法判定了GaN外延薄膜的极性。通过X射线双晶衍射(XRD)摇摆曲线和光致荧光(PL)谱测试研究了成核层生长时间对N极性GaN薄膜晶体质量和发光性能的影响。研究结果表明,成核层生长时间为300 s时,N极性GaN薄膜样品的位错密度最低,发光性能最好。采用拉曼(Raman)光谱对样品的应变状态进行了分析。     

腐蚀时间对蓝宝石衬底上外延生长GaN质量的影响

使用熔融的KOH在高温下对c面蓝宝石衬底进行不同时间的腐蚀,借助扫描电镜、原子力显微镜对衬底表面进行了表征,然后利用金属有机物化学气相沉积设备在不同腐蚀时间的衬底样品上进行了GaN材料的外延生长。通过X射线衍射结果比较了两组衬底上外延材料的质量,利用原子力显微镜结果对外延层表面形貌进行了分析,最后论述了腐蚀时间的调整对蓝宝石衬底上外延生长氮化镓质量的影响机理。     

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.     

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)。     

分子束外延生长GaN薄膜中的一种早期位错结构

利用高分辨电子显微术，对在GaP基体上由分子束外延生长六角GaN晶体薄膜中的晶体缺陷结构进行了研究．实验中发现了GaN薄膜外延生长过程中产生的一种典型早期刃型位错结构．此晶体缺陷位于一大块GaN晶粒内部，其外观类似于一段（1120）晶界．它由一条（1120）高能孤立晶界段及其两端的两个1/6［1120］不完全刃型位错组成．从大晶格失配材料之间分子束外延生长的机理上对这种缺陷结构的形成进行了解释． 关键词：     

侧向外延法生长的高质量GaN及其外延缺陷的观察

在有条状SiO2图形的GaN“模板”上,侧向外延方法生长了高质量的GaN。荧光显微镜的结果表明在SiO2掩膜区有成核过程发生。原因可能是SiO2的质量不高,为GaN的生长提供了一些成核中心。在GaN层的厚度达到4．5μm后,侧向的融合开始发生。侧向生长的速度与垂直生长速度几乎相同。在所有的SiO：掩膜上方都形成了空洞。样品在240℃熔融的KOH中腐蚀13min。在SiO2掩膜区生长的GaN,其腐蚀坑密度(相当于穿透位错密度)减少到几乎为零。而在窗口区生长的GaN,腐蚀坑密度仍然很高,达到10^8cm^-2量级。同时,我们发现具有不同窗口尺寸的样品在SiO2掩膜区上侧向生长的CaN的晶体质量基本相同,与窗口区的宽度几乎无关。室温光荧光结果表明侧向外延法生长的CaN中的晶格失配应力已被部分释放。     

基于GaN同质衬底的高迁移率AlGaN/GaNHEMT材料

研究了表面预处理对GaN同质外延的影响,获得了高电子迁移率AlGaN/GaN异质结材料.通过NH_3/H_2混合气体与H_2交替通入反应室的方法对GaN模板和GaN半绝缘衬底进行高温预处理.研究结果表明,NH_3/H_2能够抑制GaN的分解,避免粗糙表面,但不利于去除表面的杂质,黄光带峰相对强度较高;H_2促进GaN分解,随时间延长GaN分解加剧,导致模板表面粗糙不平,AlGaN/GaN HEMT材料二维电子气迁移率降低.采用NH_3/H_2混合气体与H_2交替气氛模式处理模板或衬底表面,能够清洁表面,去除表面杂质,获得平滑的生长表面和外延材料表面,有利于提高AlGaN/GaN HEMT材料电学性能.在GaN衬底上外延AlGaN/GaN HEMT材料,2DEG迁移率达到2113 cm~2/V·s,电学性能良好.     

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...     

GaN1-xPx薄膜的结构特性研究

用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上外延了高P组分的GaN1-xPx 薄膜.利用x射线衍射仪和拉曼光谱仪研究了P对GaN1-xPx晶体结构的影响.研究结果表明:随着P组分比的增加,GaN1-xPx(0002)衍射峰逐渐向小角度移动,即晶格常数变大;与非掺杂GaN相比,GaN1-xPx薄膜的拉曼光谱中出现了4个新的振动模式,将它们分别归因于P族团引起的准局部振动模式、Ga-P键振动引起的间隙模,以及来自缺陷引起的无序激活散射.同时,随着P组分比的增加,A1(LO)模式的频率向低频方向移动,这种红移现象起因于合金化和应变的影响.     

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.     

蓝宝石衬底上RF-MBE生长的GaN中的极性控制和螺旋位错的降低

近年来人们报道了用MBE方法生长GaN的飞速进展,利用RF-MBE方法可以获得高的GAN生长速率和高的电子迁移率.本文讨论了用RF-MBE方法在蓝宝石衬底上生长GaN过程中的极性控制和螺旋位错的降低.在充分氮化的蓝宝石衬底上直接生长GaN,使GaN的极性控制为N-极性,并用高温生长的AlN核化层实现GaN的Ga-极性.对于N-和Ga-极性的GaN这两种情况,高温生长的AlN中间迭层的引入,可以有效地抑制螺旋位错的扩散.位错的降低使GaN的室温电子迁移率得到提高,对于Ga-极性的GaN,其值为332cm²/V·s;而对于N-极性的GaN,其值为688cm²/V·s.     

蓝宝石衬底上GaN/AlxGa1-xN超晶格插入层对AlxGa1-xN外延薄膜应变及缺陷密度的影响

室温300K下,由于Al_xGa_1-xN的带隙宽度可以从GaN的3.42eV到AlN的6.2eV之间变化,所以Al_xGa_1-xN是紫外光探测器和深紫外LED所必需的外延材料.高质量高铝组分Al_xGa_1-xN材料生长的一大困难就是Al_xGa_1-xN与常用的蓝宝石衬底之间大的晶格失配和热失配.因而采用MOCVD在GaN/蓝宝石上生长的Al_xGa_1-xN薄膜由于受张应力作用非常容易发生龟裂.GaN/Al_xGa_1-xN超晶格插入层技术是释放应力和减少Al_xGa_1-xN薄膜中缺陷的有效方法.研究了GaN/Al_xGa_1-xN超晶格插入层对GaN/蓝宝石上Al_xGa_1-xN外延薄膜应变状态和缺陷密度的影响.通过拉曼散射探测声子频率从而得到材料中的残余应力是一种简便常用的方法,Al_xGa_1-xN外延薄膜的应变状态可通过拉曼光谱测量得到.Al_xGa_1-xN外延薄膜的缺陷密度通过测量X射线衍射得到.对于具有相同阱垒厚度的超晶格,例如4nm/4nm,5nm/5nm,8nm/8nm的GaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格,研究发现随着超晶格周期厚度的增加Al_xGa_1-xN外延薄膜缺陷密度降低,Al_xGa_1-xN外延薄膜处于张应变状态,且5nm/5nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层Al_xGa_1-xN外延薄膜的张应变最小.在保持5nm阱宽不变的情况下,将垒宽增大到8nm,即十个周期的5nm/8nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层使Al_xGa_1-xN外延层应变状态由张应变变为压应变.由X射线衍射结果计算了Al_xGa_1-xN外延薄膜的刃型位错和螺型位错密度,结果表明超晶格插入层对螺型位错和刃型位错都有一定的抑制效果.透射电镜图像表明超晶格插入层使位错发生合并、转向或是使位错终止,且5nm/8nmGaN/Al_0.3Ga_0.7N超晶格插入层导致Al_xGa_1-xN外延薄膜中的刃型位错倾斜30°左右,释放一部分压应变.     

Threading dislocation density comparison between GaN grown on the patterned and conventional sapphire substrate by high resolution X-ray diffraction

GaN epifilms are grown on the patterned sapphire substrates (PSS) (0001) and the conventional sapphire substrates (CSS) (0001) by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) using a novel two-step growth. High resolution X-ray diffraction (HR-XRD) is used to investigate the threading dislocation (TD) density of the GaN epifilms. The TD density is calculated from the ω-scans full width at half maximum (FWHM) results of HR-XRD. The edge dislocation destiny of GaN grown on the PSS is 2.7×108 cm-2, which is less than on the CSS. This is confirmed by the results of atomic force microscopy (AFM) measurement. The lower TD destiny indicates that the crystalline quality of the GaN epifilms grown on the PSS is improved compared to GaN epifilms grown on the CSS. The residual strains of GaN grown on the PSS and CSS are compared by Raman Scattering spectra. It is clearly seen that the residual strain in the GaN grown on PSS is lower than on the CSS.     

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.     

Influence of double A1N buffer layers on the qualities of GaN films prepared by metal-organic chemical vapour deposition

<正>In this paper we report that the GaN thin film is grown by metal-organic chemical vapour deposition on a sapphire (0001) substrate with double AlN buffer layers.The buffer layer consists of a low-temperature(LT) AlN layer and a high-temperature(HT) AlN layer that are grown at 600℃and 1000℃,respectively.It is observed that the thickness of the LT-AlN layer drastically influences the quality of GaN thin film,and that the optimized 4.25-min-LT-AlN layer minimizes the dislocation density of GaN thin film.The reason for the improved properties is discussed in this paper.     

使用TEGa和TMGa为镓源MOCVD生长GaN的研究

采用自行研制的立式MOCVD生长系统 ,以TMGa、TEGa为Ga源 ,在不同的生长条件下生长GaN单晶膜。然后对样品进行室温光致发光光谱测试、范德堡霍尔测量和X射线双晶衍射测试。实验结果表明 ,缓冲层的Ga源不同对GaN单晶膜质量影响很大 ;以TEGa为Ga源生长缓冲层及外延层 ,外延层不连续 ;以TMGa为缓冲层Ga源、TEGa为外延层Ga源 ,在此得到室温载流子浓度为 4 5× 1 0 17cm-3 ,迁移率为 1 98cm2 /V·s的电学性能较好的GaN单晶膜。研究结果表明 :使用TEGa为外延层Ga源生长GaN ,能有效地抑制不期望的蓝带的出现。     

MOCVD生长的未掺杂GaN的结晶特性与补偿度关系的研究

对本实验室用ＭＯＣＶＤ方法生长的未故意掺杂的ＧａＮ单晶膜进行了结晶性能、电学性能研究。结果表明,室温时ＧａＮ的Ｘ射线双晶衍射半高宽与其补偿度有较强的依赖关系。高补偿的ＧａＮ的Ｘ射线双晶衍射半高宽较宽。低补偿的ＧａＮ的Ｘ射线双晶衍射半高宽较窄。