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.     

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。     

在c-面蓝宝石上控制生长高质量的ZnO单晶薄膜

利用Mg O和低温Zn O的缓冲层技术,在c面蓝宝石衬底上用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)的方法生长了高质量的Zn O单晶薄膜。通过XRD测试,Zn O薄膜样品具有c轴方向的择优取向,其(002)方向摇摆曲线的半高宽(FWHM)仅为68.4 arcsec,(102)方向摇摆曲线的半高宽(FWHM)为1 150 arcsec,显示了外延薄膜极高的晶体质量。另外从扫描电子显微测试结果和原子力显微测试结果来看,Zn O薄膜具有极为平整的表面,3μm×3μm面积内的均方根粗糙度仅为0.842 nm,接近原子级的平整。拉曼光谱(Raman)和荧光光谱(PL)测试结果显示,Zn O薄膜样品内部的应力基本释放,而且具有极低的点缺陷密度。高质量Zn O单晶薄膜的实现为Zn O基的光电器件的制备提供了坚实的基础。     

AlxGa1-xN晶体薄膜中铝含量的卢瑟福背散射精确测定

采用金属有机化合物气相淀积法在(0001)取向的蓝宝石衬底上生长一层 大约20 nm厚的AlN缓冲层, 在缓冲层上生长大约2 μm厚、 晶体质量良好的Al_xGa_1-xN外延层, 通过深紫外光致发光法测量发光峰的能量E_g 判断外延层中铝含量的均匀性, 取样品均匀性良好的氮铝镓外延片进行卢瑟福背散射(RBS)实验, 通过两个高能离子束实验室分别进行RBS随机谱分析, 每个实验室测量六个样品, 由分析软件拟合随机谱获得外延层中的x_Al. 并对样品的均匀性、堆积校准、计数统计、散射角、离子束能量与阻止截面 等影响测量结果准确性的不确定度来源进行分析. 结果表明, 采用入射离子⁴He, 能量为2000 keV, 散射角为165° 时, 氮铝镓外延片中铝含量(x=0.8) 的测量不确定度为2.0%, 包含扩展因子k=2. 关键词： 氮铝镓 卢瑟福背散射 测量不确定度 金属有机化合物气相淀积法     

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.     

三甲基镓流量对GaN外延层和GaN缓冲层生长的影响

采用金属有机物气相外延法在蓝宝石衬底上生长了以GaN为缓冲层的GaN薄膜.研究了不同三甲基镓流量下所生长缓冲层对GaN外延层质量的影响.对样品采用X线双晶衍射法测试其结晶质量,光致发光法测试其光学特性.实验结果显示高三甲基镓流量下生长的缓冲层可以提高GaN外延层的质量.对缓冲层进行的原子力显微镜测试分析表明不同三甲基镓流量会显著地影响缓冲层的生长模式.根据试验结果构造了一个GaN缓冲层的生长模型.     

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     

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。     

AlN缓冲层对ZnO薄膜质量的影响

采用脉冲激光沉积法以AlN为缓冲层在Si(100)衬底上制备了ZnO薄膜,并测量了样品的XRD谱、SEM图和PL谱.结果表明,AlN缓冲层可以提高Si衬底上外延生长ZnO薄膜的晶体质量.改变缓冲层的生长温度(50～500 ℃)所制备样品的测量结果表明,较低温度下生长的AlN缓冲层有利于制备高质量的ZnO外延层薄膜,其中AlN缓冲层生长温度为100 ℃时外延生长ZnO薄膜晶体质量最好.     

氢化物气相外延生长高质量GaN膜生长参数优化研究

系统研究了低温成核层生长时间、高温生长时的V/Ⅲ 比以及生长温度对氢化物气相外延生长GaN膜晶体质量的影响. 研究发现合适的低温成核层为后续高温生长提供成核中心, 并能有效降低外延膜与衬底间的界面自由能, 促进成核岛的横向生长; 优化的V/Ⅲ比和最佳生长温度有利于降低晶体缺陷密度, 促进横向生长, 增强外延膜的二维生长. 利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨X射线衍射、 低温光致发光谱和室温拉曼光谱对优化条件下生长的GaN外延膜进行了结构和光电特性表征. 测试结果表明, 膜表面平整光滑, 呈现二维生长模式表面形貌; (002)和(102)面摇摆曲线半高宽分别为317和343 arcsec; 低温光致发光谱中近带边发射峰为3.478 eV附近的中性施主束缚激子发射峰, 存在11 meV的蓝移, 半高宽为10 meV, 并且黄带发光强度很弱;常温拉曼光谱中E₂ (high) 峰发生1.1 cm^-1蓝移.结果表明, 优化条件下生长的GaN外延膜具有良好的晶体质量和光电特性, 但GaN 膜中存在压应力. 关键词： 氮化镓 氢化物气相外延 低温成核层     

GaN grown on Si(1 1 1) with step-graded AlGaN intermediate layers

The authors report the growth of crack-free GaN on Si(1 1 1) substrate with step-graded AlGaN intermediate layers all grown at 1120 °C. By preparing all these layers at high-temperature, we can simplify the growth proceduce and minimize the growth time. Using X-ray diffraction and transmission electron microscopy, it was found that the high-temperature step-graded AlGaN intermediate layers can effectively reduce the tensile stress on GaN epitaxial layers. Photoluminescence and Raman measurements also indicate that we can improve the crystal quality of GaN by inserting the step-graded AlGaN intermediate layers.     

Characterization of GaN/AlGaN epitaxial layers grown by metalorganic chemical vapour deposition for high electron mobility transistor applications

GaN and AlGaN epitaxial layers are grown by a metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD) system. The crystalline quality of these epitaxially grown layers is studied by different characterization techniques. PL measurements indicate band edge emission peak at 363.8 nm and 312 nm for GaN and AlGaN layers respectively. High resolution XRD (HRXRD) peaks show FWHM of 272 and 296 arcsec for the (0 0 0 2) plane of GaN and GaN in GaN/AlGaN respectively. For GaN buffer layer, the Hall mobility is 346 cm²/V-s and carrier concentration is 4.5 × 10¹⁶/cm³. AFM studies on GaN buffer layer show a dislocation density of 2 × 10⁸/cm² by wet etching in hot phosphoric acid. The refractive indices of GaN buffer layer on sapphire at 633 nm are 2.3544 and 2.1515 for TE and TM modes respectively.     

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。     

V形坑尺寸对硅衬底InGaN/AlGaN近紫外LED光电性能的影响

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了InGaN/AlGaN近紫外LED,通过改变低温GaN插入层的厚度调控V形坑尺寸,系统地研究了V形坑尺寸对InGaN/AlGaN近紫外LED(395 nm)光电性能的影响。结果表明,低温GaN插入层促进了V形坑的形成,并且V形坑尺寸随着插入层厚度的增加而增大。在电学性能方面,随着V形坑尺寸的增大,-5 V下的漏电流从5.2×10~(-4)μA增加至6.5×10~2μA;350 mA下正向电压先从3.55 V降至3.44 V,然后升高至3.60 V。在光学性能方面,随着V形坑尺寸的增大,35 A/cm~2下的归一化外量子效率先从0.07提高至最大值1,然后衰退至0.53。对V形坑尺寸影响InGaN/AlGaN近紫外LED光电性能的物理机理进行了分析,结果表明:InGaN/AlGaN近紫外LED的光电性能与V形坑尺寸密切相关,最佳的V形坑尺寸为120~190 nm,尺寸太大或者太小都会降低器件性能。     

Influence of ammoniating temperature on Co-catalyzed GaN nanowires

GaN nanowires (NWS) were synthesized at different temperatures by ammoniating Ga₂O₃/Co films deposited on Si (111) substrate. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), high resolution transmission electron microscope (HRTEM), Fourier transformed infrared spectra (FTIR) and photoluminence (PL) spectra were used to characterize the influences of the ammoniating temperature on the morphology, crystallinity and optical properties of GaN NWS. Our results indicate that the samples are all of wurtzite structure and also show that the GaN NWS ammoniated at 950 °C have the best morphology and crystallinity with a single-crystalline structure, and at this temperature the PL spectrum with the strongest ultraviolet (UV) peak is observed. PACS 61.46.-w; 71.55.Eq; 81.15.Cd; 81.07.-b; 61.10.Nz     

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.     

Surface morphology of ZnO buffer layer and its effects on the growth of GaN films on Si substrates by magnetron sputtering

ZnO thin films were first prepared on Si(111) substrates using a radio frequency magnetron sputtering system. Then the as-grown ZnO films were annealed in oxygen ambient at temperatures of 700, 800, 900, and 1000°C , respectively. The morphologies of ZnO films were studied by an atom force microscope (AFM). Subsequently, GaN epilayers about 500 nm thick were deposited on the ZnO buffer layers. The GaN/ZnO films were annealed in NH₃ ambient at 900°C. The microstructure, morphology and optical properties of GaN films were studied by x-ray diffraction (XRD), AFM, scanning electron microscopy (SEM) and photoluminescence (PL). The results are shown, their properties having been investigated particularly as a function of the ZnO layers. For better growth of the GaN films, the optimal annealing temperature of the ZnO buffer layers was 900°C.     

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     

N极性GaN/AlGaN异质结二维电子气模拟

通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程,较系统地研究了GaN沟道层、AlGaN背势垒层、Si掺杂和AlN插入层对N极性GaN/AlGaN异质结中二维电子气(2DEG)的影响,分析表明,GaN沟道层厚度、AlGaN背势垒层厚度及Al组分变大都能一定程度上提高二维电子气面密度,AlGaN背势垒层的厚度和Al组分变大也可提高二维电子气限阈性,且不同的Si掺杂形式对二维电子气的影响也有差异,而AlN插入层在提高器件二维电子气面密度、限阈性等方面表现都较为突出,在模拟中GaN沟道层厚度小于5nm时无法形成二维电子气,超过20nm后二维电子气面密度趋于饱和,而AlGaN背势垒厚度超过40nm后二维电子气也有饱和趋势,对均匀掺杂和delta掺杂而言AlGaN背势垒层Si掺杂浓度超过5×10~(19)cm~(-3)后2DEG面密度开始饱和,而厚度为2nmAlN插入层的引入会使2DEG面密度从无AlN插入层时的0.93×10~(13)cm~(-2)提高到1.17×10~(13)cm~(-2)。     

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