r面蓝宝石衬底上采用两步AlN缓冲层法外延生长a面GaN薄膜及应力研究

采用MOCVD技术在r面蓝宝石衬底上采用两步AlN缓冲层法外延制备了a面GaN薄膜.利用高分辨X射线衍射技术和Raman散射技术分析了样品的质量以及外延膜中的残余应力.实验结果表明:样品的(1120)面的X射线双晶摇摆曲线的半峰宽仅为0.193°,Raman光谱中E2高频模的半峰宽仅为3.9cm-1,这些说明a面GaN薄膜具有较好的晶体质量;X射线研究结果表明样品与衬底的位相关系为:[11(2)0]GaN ||[1(1)02]sapphire,[0001]Gan||[(11)01]sapphire和[(11)00]GaN[11(2)0]sapphire;高分辨X射线和Raman散射谱的残余应力研究表明,采用两步AlN缓冲层法制备的a面GaN薄膜在平面内的残余应力大小与用低温GaN缓冲层法制备的a面GaN薄膜不同,我们认为这是由引入AlN带来的晶格失配和热失配的变化引起的.     

6H-SiC衬底上采用不同厚度AlN缓冲层对GaN外延层的影响

采用不同厚度AlN作为缓冲层在6H-SiC衬底上生长了GaN外延层,并利用X射线衍射,拉曼散射和透射电子显微镜等对GaN性质进行了研究。AlN缓冲层的应变状态对GaN的晶体质量和表面形貌有很大影响。较厚的AlN缓冲层会导致GaN表面出现裂纹,而太薄的AlN缓冲层会导致GaN层较高的位错密度,从而恶化器件性能。分析了GaN产生裂纹和高位错密度的机制,并采用较优厚度（100nm）的AlN缓冲层生长出高质量的GaN外延层。     

利用高频PlasmaCVD在蓝宝石衬底上生长立方GaN缓冲层及其光学性

研究了采用高频 Plasma CVD技术在较低温度下 (30 0— 40 0℃ )生长以 Ga N为基的 - 族氮化物的可行性 ,在蓝宝石衬底上生长了 Ga N缓冲层 .热处理后的光致发光谱和 X光衍射表明 ,生长的 Ga N缓冲层为立方相 ,带边峰位于 3.15 e V.在作者实验的范围内 ,最优化的 TMGa流量为 0 .0 8sccm (TMAm=10 sccm时 ) ,XPS分析结果表明此时的 Ga/ N比为 1.0 3.这是第一次在高 / 比下得到立方 Ga N.相同条件下石英玻璃衬底上得到的立方 Ga N薄膜 ,黄光峰很弱 ,晶体质量较好     

应用厚缓冲层实现蓝宝石上高质量AlN外延层的MOCVD生长

在蓝宝石衬底上采用由低温AlN成核层、中温AlN生长层、温度渐变AlN生长层和高温AlN生长层组成的厚三维生长缓冲层来实现AlN外延层位错密度的减少和应力的释放.用光学显微镜、原子力显微镜(AFM)及X射线衍射仪对样品进行了表征,结果表明所生长外延层表面无裂纹,并显示出清晰的阶梯流表面形貌,其平均粗糙度为0.160 nm,KOH腐蚀坑密度为5.8×108 cm-2,(0002)和(10-12)回摆曲线FWHM分别为210”和396”.详细论述了AlN外延层的生长模式、位错行为和应力释放途径.     

利用高频Plasma CVD在蓝宝石衬底上生长 立方GaN缓冲层及其光学性质

研究了采用高频PlasmaCVD技术在较低温度下(300—400℃)生长以GaN为基的Ⅲ-Ⅴ族氮化物的可行性,在蓝宝石衬底上生长了GaN缓冲层.热处理后的光致发光谱和X光衍射表明,生长的GaN缓冲层为立方相,带边峰位于3.15eV.在作者实验的范围内,最优化的TMGa流量为0.08sccm(TMAm=10sccm时),XPS分析结果表明此时的Ga/N比为1.03.这是第一次在高Ⅴ/Ⅲ比下得到立方GaN.相同条件下石英玻璃衬底上得到的立方GaN薄膜,黄光峰很弱,晶体质量较好.     

蓝宝石上AlN基板的MOCVD外延生长

结合 AlN 成核缓冲层技术和NH3流量调制缓冲层方法,采用 MOCVD 在(0001)面蓝宝石衬底上生长了 AlN 基板,用扫描电镜、原子力显微镜及 X 射线衍射仪对样品进行了表征,结果表明基板无裂纹,其平均粗糙度为0.35 nm,(0002)和(1012)回摆曲线 FWHM 分别为 37"和712".详细论述了AlN基板的生长模式、位错行为和应力释放途径.     

GaN缓冲层上低温生长AlN单晶薄膜

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α-Al2O3(0001)(蓝宝石)衬底上,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.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)等测量样品,研究了AlN缓冲层和氮化镓(GaN)对六方AlN外延层质量的影响,实验表明在GaN缓冲层上能够低温生长出C轴取向的AlN单晶薄膜.     

蓝宝石衬底上原子级光滑AlN外延层的MOCVD生长

在蓝宝石衬底表面无氮化、低Ⅴ/Ⅲ比的情况下,采用1200℃的衬底温度、5kPa反应室气压,用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长出了表面原子级光滑的AlN外延层.原子力显微镜测试表明其平均粗糙度为0.44nm,X射线衍射(0002)回摆曲线FWHM为166".实验结果和分析表明,极性和气相反应是影响AlN表面形貌的主要原因.以原子级光滑的AlN为模板生长出了高质量的高Al组分的n型AlGaN,证实了AlN模板具有较好的质量.     

蓝宝石衬底上原子级光滑AlN外延层的MOCVD生长

在蓝宝石衬底表面无氮化、低Ⅴ/Ⅲ比的情况下,采用1200℃的衬底温度、5kPa反应室气压,用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长出了表面原子级光滑的AlN外延层.原子力显微镜测试表明其平均粗糙度为0.44nm,X射线衍射(0002)回摆曲线FWHM为166".实验结果和分析表明,极性和气相反应是影响AlN表面形貌的主要原因.以原子级光滑的AlN为模板生长出了高质量的高Al组分的n型AlGaN,证实了AlN模板具有较好的质量.     

蓝宝石图形衬底上利用AlN缓冲层生长高质量GaN

在图形化衬底上以AlN作为缓冲层生长高质量的GaN薄膜,国内相关的报道较少。通过引入两步缓冲层生长方法,在蓝宝石图形衬底上生长基于AlN缓冲层的高质量GaN薄膜,利用低温AlN层生长时内部的缺陷,选择性进行腐蚀,形成衬底与外延层界面间的侧向倒斜角,提高光萃取效率;同时在其上继续生长高温AlN,为后续GaN薄膜提供高质量模板。从外延角度出发,以表面形貌及其上生长的GaN薄膜的晶体质量为衡量依据,优化了低温AlN缓冲层以及高温AlN缓冲层的生长参数,优化后LED样品在20 mA测试电流下的光输出功率较参考样品提升了4%。     

Comparative Study on MOCVD Growth of a-Plane GaN Films on r-Plane Sapphire Substrates Using GaN, AlGaN, and AlN Buffer Layers

In this work, we have comparatively investigated the effects of the GaN, AlGaN, and AlN low-temperature buffer layers (BL) on the crystal quality of a-plane GaN thin films grown on r-plane sapphire substrates. Scanning electron microscopy images of the a-plane GaN epilayers show that using an AlGaN BL can significantly reduce the density of surface pits. The full-width at half-maximum values of the x-ray rocking curve (XRC) are 0.19°, 0.36°, and 0.48° for the films grown using Al_0.15Ga_0.85N, GaN, and AlN BLs, respectively, indicating that an AlGaN BL can effectively reduce the mosaicity of the films. Room-temperature photoluminescence shows that the AlGaN BL results in lower impurity incorporation in the subsequent a-plane GaN films, as compared with the case of GaN and AlN BLs. The higher crystal quality of a-plane GaN films produced by the Al_0.15Ga_0.85N BL could be due to improvement of BL quality by reducing the lattice mismatch between the BL and r-sapphire substrates, while still keeping the lattice mismatch between the BL and epitaxial a-plane GaN films relatively small.     

SiC衬底AlN缓冲层的应变对GaN外延层质量的影响

在3英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法生长GaN外延材料。研究了AlN缓冲层的应变状态对GaN外延层应变状态和质量的影响。使用原子力显微镜和高分辨率X射线双晶衍射仪观察样品表面形貌,表征外延材料质量的变化,使用高分辨喇曼光谱仪观察外延材料应力的变化,提出了基于外延生长的应变变化模型。实验表明,GaN外延层的张应变随着AlN缓冲层应变状态的由压变张逐渐减小,随着GaN张应力的逐渐减小,GaN位错密度也大大减少,表面形貌也逐渐变好。     

GaN缓冲层上低温生长AIN单晶薄膜

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α－Al2O3（0001）（蓝宝石）衬底上，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。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）等测量样品，研究了AlN缓冲层和氮化镓（GaN）对六方AlN外延层质量的影响，实验表明在GaN缓冲层上能够低温生长出C轴取向的AlN单晶薄膜。     

AlN缓冲层厚度对脉冲激光沉积技术生长的GaN薄膜性能的影响

在蓝宝石(Al2O3)衬底上应用脉冲激光沉积技术(PLD)生长不同厚度的AlN缓冲层后进行GaN薄膜外延生长。采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对外延生长所得GaN薄膜的晶体质量和表面形貌进行了表征。测试结果表明: 相比直接在Al2O3衬底上生长的GaN薄膜, 通过生长AlN缓冲层的GaN薄膜虽然晶体质量较差, 但表面较平整; 而且随着AlN缓冲层厚度的增加, GaN薄膜的晶体质量和表面平整度均逐渐提高。可见, AlN缓冲层厚度对在Al2O3衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。     

AlN缓冲层厚度对脉冲激光沉积技术生长的GaN薄膜性能的影响

在蓝宝石(Al2O3)衬底上应用脉冲激光沉积技术(PLD)生长不同厚度的AlN缓冲层后进行GaN薄膜外延生长。采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对外延生长所得GaN薄膜的晶体质量和表面形貌进行了表征。测试结果表明:相比直接在Al2O3衬底上生长的GaN薄膜,通过生长AlN缓冲层的GaN薄膜虽然晶体质量较差,但表面较平整;而且随着AlN缓冲层厚度的增加,GaN薄膜的晶体质量和表面平整度均逐渐提高。可见,AlN缓冲层厚度对在Al2O3衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。     

预处理蓝宝石衬底上生长高质量 GaN 显示薄膜

采用化学方法腐蚀部分 c-面蓝宝石衬底,在腐蚀区域形成一定的图案,利用 LP-MOCVD 在此经过表面处理的蓝宝石衬底上外延生长 GaN 薄膜.采用高分辨率双晶X射线衍射(DCXRD)、光致发光光谱(PL)、透射光谱分析GaN薄膜的晶体质量和光学质量.分析结果表明,CaN 薄膜透射谱反映出的 CaN 质量与 X射线双晶衍射测量的结果一致,即透射率越大,半高宽越小,结晶质量越好;对蓝宝石衬底进行前处理可以大大改善GaN薄膜的晶体质量和光学质量,其(0002)面及(1012)面XRD半高宽(FWHM)分别降低到 208.80arcsec 及 320.76arcsec,而且其光致发光谱中的黄光带几乎可以忽略.     

GaN薄膜的微区Raman散射光谱

报道了低压 MOCVD生长的同一 Ga N薄膜不同位置的微区 Raman散射光谱 .观测到了微区结构不完整对 Raman谱的影响 .通过 X射线衍射分析 ,证实了该样品晶体质量是不均匀的 ,而且微结构缺陷的存在是导致回摆曲线展宽的主要原因 .结合 Hall测量结果 ,对 Ga N薄膜的 Al( L O)模式的移动进行了电声子相互作用分析 ,认为 A1 ( LO)模式的移动可能与电声子相互作用无关 ,而是受内部应力分布不均匀的影响所致 .     

MOVPE生长GaN过渡层的AFM分析

报道了原子力显微镜对MOVPE生长GaN材料过渡层表面结构的观察，重点分析了氯化、退火前后过渡层结构变化的原因及其对外延生长晶体质量的影响，探讨了不同条件下GaN成核模式的变化，对GaN材料的生长初期成核机理有了进一步的了解，通过优化生长条件，最终获得了X射线双晶衍射半峰宽为5arcmin，表面明亮的高质量GaN外延层。