硅襯底上GaN外延層和AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)的MOCVD生長(zhǎng)研究.pdf

1、隨著商業(yè)化氮化鎵（GaN）基發(fā)光二極管（LED）、激光器（LD）和高電子遷移率晶體管（HEMT）的相繼推出，性能卓越的GaN基器件引起了廣泛的關(guān)注。然而，過(guò)高的成本和大功率器件的技術(shù)瓶頸阻礙了GaN基光電子器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
　　 由于GaN 體材料的缺失，GaN基光電子器件只能在異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)?？紤]到Si襯底的眾多優(yōu)點(diǎn)，采用Si 作為襯底是降低GaN基光電子器件成本和開(kāi)發(fā)新型大功率器件的有效途徑。然而，與藍(lán)寶石襯底和碳化硅襯底

2、相比，在Si 襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN基材料較為困難：首先，GaN在高溫下易同Si 發(fā)生劇烈的合金反應(yīng)從而腐蝕襯底和外延層；其次，由于GaN與Si 襯底大的晶格失配和熱失配，GaN 外延材料存在缺陷密度高、易龜裂等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文系統(tǒng)地探討和研究了Si 襯底上GaN 外延層的MOCVD 生長(zhǎng)工藝，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 首先，研究了Si 襯底的前期處理工藝對(duì)GaN 外延層后續(xù)生長(zhǎng)的影響，特別是對(duì)高溫預(yù)鋪鋁工藝和氮化鋁（

3、AlN）緩沖層的生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究。結(jié)果表明：Si襯底的清洗和高溫烘焙工藝對(duì)襯底的表面形貌有顯著的影響，并影響到隨后AlN 緩沖層的生長(zhǎng)；高溫預(yù)鋪鋁的時(shí)間不僅會(huì)影響襯底表面氮化的抑制效果，而且影響后續(xù)AlN 緩沖層生長(zhǎng)的均勻性；AlN 緩沖層生長(zhǎng)參數(shù)的變化則直接影響到Si和Ga的隔離效果和GaN 外延層的生長(zhǎng)質(zhì)量，因而其優(yōu)化的意義重大。
　　 其次，研究了三類應(yīng)變緩沖層的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，探討了它們對(duì)GaN 外延層張應(yīng)力和穿透位錯(cuò)

4、消除作用的影響。為了有效地消除GaN 外延層中的張應(yīng)力，采用低溫氮化鋁（LT-AlN）成核層和若干LT-AlN 插入層的應(yīng)變緩沖層設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)對(duì)插入層的層數(shù)、厚度和生長(zhǎng)溫度的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了厚度超過(guò)1.5μm 無(wú)裂紋的外延層生長(zhǎng)，但外延層晶體質(zhì)量還有待提高；采用較厚的高溫（HT）AlN 緩沖層結(jié)合組分連續(xù)漸變的AlxGa1-xN 插入層的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)HT-AlN/Si(111)模板的優(yōu)化（例如AlN 厚度和生長(zhǎng)V/III 比），及對(duì)Alx

5、Ga1-xN 插入層的組分漸變方式（線性和非線性）、漸變速率（生長(zhǎng)速率）和厚度的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)較薄的、非線性的AlxGa1-xN組分連續(xù)漸變層就可以有效地消除張應(yīng)力和位錯(cuò)密度，生長(zhǎng)出超過(guò)1.5μm 無(wú)裂紋、高質(zhì)量的GaN 外延層；
　　 嘗試了幾種含超晶格結(jié)構(gòu)的應(yīng)變緩沖層設(shè)計(jì)，方案新穎獨(dú)特，但是在實(shí)驗(yàn)中，因無(wú)法保證超晶格的界面陡峭性，未顯示出它在消除應(yīng)力和位錯(cuò)上的作用。
　　 最后，在獲得高質(zhì)量GaN 外延層的基礎(chǔ)上，生