蓝宝石上横向外延GaN薄膜

在蓝宝石衬底上利用金属有机物气相外延(MOCVD)方法对横向外延(ELO)GaN薄膜的生长条件进行了研究.在蓝宝石衬底上利用化学腐蚀的方法刻饰出图案,再沉积低温GaN缓冲层作为外延层的子晶层,以降低外延层与衬底的晶格失配与热失配,制备出低位错密度的GaN外延层.分别利用X射线衍射、原子力显微镜及湿法腐蚀对外延层进行检测.     

蓝宝石衬底上侧向外延GaN中的位错降低

采用侧向外延(ELOG)方法,在制作了条形掩膜图形的GaN衬底上用MOCVD生长高质量GaN.AFM,化学湿法腐蚀及TEM分析表明:采用两步法ELOG生长的GaN中,掩膜下方的缺陷被掩膜所阻挡,窗口区内二次生长的GaN的位错也大幅降低;在相邻生长前沿所形成的合并界面处形成晶界;化学湿法腐蚀无法得到关于合并界面处缺陷的信息.侧翼区域中极低的穿透位错使得ELOG GaN适用于在其上制作高性能的氮化物基激光器.     

图形化蓝宝石衬底表面原位处理对GaN外延薄膜的影响

采用预铺Ga或NH_3氮化等方式原位处理图形化蓝宝石衬底(PSS)表面,然后外延生长了GaN薄膜,研究了PSS表面预处理对GaN薄膜表面形貌、晶体质量以及残余应力的影响。结果显示,PSS经过预铺Ga后生长的GaN薄膜具有平滑的表面和清晰平直的原子台阶,且位错密度最低;氮化后生长的GaN薄膜原子台阶较宽,螺型位错密度较低;衬底未经表面处理生长的GaN薄膜,原子台阶模糊,位错密度最高;同时,与氮化或未经预处理的方法相比,经过预铺Ga的方式预处理PSS表面后生长的GaN薄膜残余应力最小。分析认为,预铺Ga、氮化等方式处理衬底表面,改变了PSS微结构,有利于生长表面平滑、晶体质量高、残余应力小的GaN薄膜。     

Ti掩膜图形层对外延生长GaN薄膜晶体质量的影响

采用氢化物气相外延(HVPE)方法在2英寸(1英寸=2.54 cm)c面蓝宝石衬底上外延生长了高质量GaN单晶薄膜.在GaN生长过程中引入点状和条状两种金属Ti掩膜图形层,研究了不同Ti掩膜图形层对外延生长GaN薄膜晶体质量的影响.使用微分干涉相差显微镜(DICM)、扫描电子显微镜(SEM)、阴极荧光光谱(CL)、喇曼光谱和X射线衍射(XRD)对制备的GaN样品结构和形貌进行了表征分析.实验结果表明,Ti掩膜图形层的引入可以在一定程度上改善GaN薄膜的表面形貌,缓解材料中的应力,降低GaN材料中的位错密度,提高材料的结晶质量.同时发现,相比于点状图形,条状Ti图形掩膜层可以更加有效地改善GaN材料的晶体质量,将位错密度降低到3.2×106 cm-2以下.     

MOCVD法横向外延过生长GaN薄膜

介绍了金属有机化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)法横向外延过生长GaN薄膜的原理,阐述了该技术形成选择生长和减少GaN薄膜缺陷密度的机理。综述了该技术的发展历程以及最新进展。新型的横向外延过生长技术大大简化了生长工艺以及降低了晶向倾斜。     

AlN成核层厚度对Si上外延GaN的影响

采用低温AlN成核层,在Si(111)衬底上,用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法生长了GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射(XRD)、椭圆偏振光谱仪和原子力显微镜(AFM)研究了AlN成核层的厚度对GaN外延层的影响。对AlN的测试表明,AlN的表面粗糙度(RMS)随着厚度增加而变大。对GaN的测试表明,所有GaN样品在垂直方向处于压应变状态,并且随AlN厚度增加而略有减弱。GaN的(0002)_ω扫描的峰值半宽(FWHM)随着AlN成核层厚度增加而略有升高,GaN(10-12)_ω扫描的FWHM随着厚度增加而有所下降。(10-12)_ω扫描的FWHM与GaN的刃型穿透位错密度相关,A1N成核层的厚度较大时会降低刃型穿透位错密度,并减弱c轴方向的压应变状态。     

利用磁控溅射在GaN/蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜

Zinc oxide (ZnO) thin films were grown on n-GaN/sapphire substrates by radio-frequency (RF) magnetron sputtering. The films were grown at substrate temperatures ranging from 400 to 700 ℃ for 1 h at a RF power of 80 W in pure Ar gas ambient. The effect of the substrate temperature on the structural and optical properties of these films was investigated by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and photoluminescence (PL) spectra. XRD results indicated that ZnO films exhibited wurtzite symmetry and c-axis orientation when grown epitaxially on n-GaN/sapphire. The best crystalline quality of the ZnO film is obtained at a growth temperature of 600 ℃. AFM results indicate that the growth mode and degree of epitaxy strongly depend on the substrate temperature. In PL measurement, the intensity of ultraviolet emission increased initially with the rise of the substrate temperature, and then decreased with the temperature. The highest UV intensity is obtained for the film grown at 600 ℃ with best crystallization. oindent     

用MOCVD在r面蓝宝石衬底上生长的a面GaN的独特电学性质研究

Nonpolar （1120） a-plane GaN films have been grown by low-pressure metal-organic vapor deposition on r-plane （1102） sapphire substrate. The structural and electrical properties of the a-plane GaN films are investigated by high-resolution X-ray diffraction （HRXRD）, atomic force microscopy （AFM） and van der Pauw Hall measurement. It is found that the Hall voltage shows more anisotropy than that of the c-plane samples; furthermore, the mobility changes with the degree of the van der Pauw square diagonal to the c direction, which shows significant electrical anisotropy. Further research indicates that electron mobility is strongly influenced by edge dislocations.     

玻璃衬底上制备GaN薄膜的研究进展

近年来,GaN基发光二极管(LED)的发展异常迅速,以玻璃为衬底的LED具有成本低、可大面积化生产等优点而引起了国内外许多科研机构的广泛研究兴趣.但由于普通玻璃较低的软化温度(500～ 600℃)以及与GaN之间存在较大的晶格失配问题,一直阻碍其发展.重点综述了玻璃衬底上生长GaN薄膜的方法以及改善外延层晶体质量的技术.分别介绍了两种在普通玻璃上生长GaN的方法,即低温生长和局部加热生长,同时详述了采用缓冲层和横向外延过生长(ELO)技术对外延GaN晶体质量的影响.对局部加热、ELO等技术在玻璃衬底LED方面的应用进行了分析和预测,认为以玻璃为衬底的LED终会取得快速地发展.     

Dislocation Reduction in GaN on Sapphire by Epitaxial Lateral Overgrowth

采用侧向外延(ELOG)方法,在制作了条形掩膜图形的GaN衬底上用MOCVD生长高质量GaN.AFM,化学湿法腐蚀及TEM分析表明:采用两步法ELOG生长的GaN中,掩膜下方的缺陷被掩膜所阻挡,窗口区内二次生长的GaN的位错也大幅降低;在相邻生长前沿所形成的合并界面处形成晶界;化学湿法腐蚀无法得到关于合并界面处缺陷的信息.侧翼区域中极低的穿透位错使得ELOG GaN适用于在其上制作高性能的氮化物基激光器.     

MOCVD法侧向外延生长高质量GaN

利用金属有机物气相外延法(MOCVD)，在GaN/蓝宝石复合衬底上，采用侧向外延生长技术制备出高质量的GaN外延膜，并对其进行扫描电镜、X射线双晶衍射、透射电镜测量和分析. 发现完全合并后的GaN外延层的表面平整，晶体质量较衬底有大幅的提高，透射电镜进行微区位错观察发现窗口区穿透位错大部分发生转向，侧向生长区下方的穿透位错被掩膜阻断.     

Maskless Lateral Epitaxial Growth of Gallium Nitride Using Dimethylhydrazine as a Nitrogen Precursor

Lateral epitaxial growth (LEG) is a key technology to improve the lifetime of III-V nitride-based laser diodes (LDs) by reducing the dislocation density in the materials. To increase the area of low dislocation density, the lateral growth rate needs to be increased. In addition, suppression of the vertical growth is strongly desired to avoid unnecessarily thick growth, which would result in cracks in the epitaxial film. This paper reports the maskless LEG of GaN with extremely high lateral-to-vertical growth rate ratio using dimethylhydrazine as a nitrogen precursor. The lateral growth only occurs from the sidewalls of the etched mesa stripes without any dielectric masks. The lateral growth rate toward the direction is extremely high, as high as 10 μm/h, while no vertical growth is observed on the top of unmasked mesa. The cross-sectional transmission electron microscopic image shows that the threading dislocations in the wing region extend only toward the lateral direction. Note that almost smooth coalescence between the wing regions is confirmed by atomic force microscopy. X-ray diffraction measurements reveal that this maskless LEG drastically improves the crystallographic twist down to 97 arc-s, which is as comparably low as that of a free-standing GaN substrate. The presented maskless LEG is advantageous for optical device applications.     

MOCVD侧向外延生长GaN的研究

在低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)系统中利用侧向外延生长(epitaxial lateral overgrowth,ELO)技术进行了二次外延GaN的研究.SEM观察结果表明,翼区和窗口区宽度比值不同的图形衬底,侧向和纵向的生长速率不同;其AFM表面形貌图像表明,长平的ELO-GaN表面平整,位错密度较低.ELO-GaN的光致发光(PL)谱的带边峰比传统方法生长的GaN的带边峰红移了14.0 meV,表明ELO-GaN的应力得到部分释放,晶体质量提高.ELO-GaN和普通外延GaN的拉曼散射谱比较表明,ELO-GaN中的应力较小,晶体质量较高,A1(TO)模的出现说明其晶轴取向相对于(0001)方向发生微小的偏移.     

GaN异质外延中的侧向生长技术

以GaN为代表的Ⅲ族氮化物在微电子、光电子和传感器等领域均发挥了重要作用.但是由于大尺寸的单晶GaN衬底仍无法实现,目前绝大多数氮化物材料都是通过异质外延的方式来实现,外延材料和异质衬底之间巨大的晶格失配和热失配是导致GaN外延层中位错密度较高的主要原因.侧向生长(ELOG)技术是GaN异质外延中降低位错密度的一种有效方法,总结了该项技术的特点,并对单步ELOG技术、双步ELOG技术、悬空ELOG技术以及无掩膜ELOG技术等多种技术趋势进行了总结.ELOG技术可以有效降低位错密度,但是仍需降低工艺复杂性和减少沾污.     

Si衬底上侧向外延生长GaN的研究

采用条形Al掩模在Si(111)衬底上进行了GaN薄膜侧向外延的研究.结果显示,当掩模条垂直于Si衬底[11-2]方向,也即GaN[10-10]方向时,GaN无法通过侧向生长合并得到表面平整的薄膜;当掩模条平行于Si衬底[11-2]方向,也即GaN[10-10]方向时,GaN侧向外延速度较快,有利于合并得到平整的薄膜.同时,研究表明,升高温度和降低生长气压都有利于侧向生长.通过优化生长工艺,在条形Al掩模Si(111)衬底上得到了连续完整的GaN薄膜.原子力显微镜测试显示,窗口区域生长的GaN薄膜位错密度约为1×109/cm2,而侧向生长的GaN薄膜位错密度降低到了5×107/cm2以下.     

LED用非极性GaN外延膜的制备技术进展

GaN是实现白光LED的关键材料。GaN外延膜通常沿极性c轴生长,基于极性GaN的LED有源层量子阱中由于强内建电场的存在而导致器件发光效率降低,而沿非极性面生长的GaN外延膜可以改善或消除极化效应导致的辐射复合效率降低和发光波长蓝移等问题。文章总结了非极性GaN外延膜的制备技术及研究进展,包括平面外延技术和横向外延过生长技术,指出开发非极性GaN自支撑衬底、发展非极性GaN的横向外延生长技术是制备低位错密度非极性GaN的研究方向。     

GaN/Al_2O_3(0001)的匹配机制及氮化的作用

在Ａｌ２Ｏ３（０００１）衬底上用ＭＯＣＶＤ（金属有机物气相沉积）方法进行了ＧａＮ的外延生长，通过Ｘ射线衍射（同步辐射源）研究了ＧａＮ和Ａｌ２Ｏ３（０００１）的匹配关系。结果表明，经充分氮化的衬底上，ＧａＮ以单一的匹配方式沿［０００１］方向生长；在Ａｌ２Ｏ３（０００１）衬底未经氮化或氮化不充分时，不同程度地出现了其它三种绕〈１１２０〉晶带轴倾斜一定角度的匹配位向。指出了ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（０００１）的几种匹配方式的晶体学规律。ＧａＮ绕〈１１２０〉晶带轴倾斜的匹配方式是其外延生长过程中降低和Ａｌ２Ｏ３（０００１）的晶格失配、释放界面应变的重要机制之一。