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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
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