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1、西安電子科技大學碩士學位論文低位錯密度的GaN外延薄膜生長研究作者：歐新秀導(dǎo)師：張進成教授學科：微電子學與固體電子學中國西安2011年1月StudyongrowthofGaNfilmswithlowdidensityADissertationSubmittedtoXidianUniveinCandidacyfortheDegreeofMasterinMicroandSolid．StateElectronicsByonXinxiuXi’an，P．R．ChinaJanuary2011II．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2、．．．．．創(chuàng)新性聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任。本人簽名：叢塹盤日期關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學有關(guān)保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學。本人保證畢業(yè)離校后，發(fā)
3、表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電子科技大學。學校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。(保密的論文在解密后遵守此規(guī)定)本學位論文屬于保密在一年解密后適用本授權(quán)書。日期摘要隨著社會的發(fā)展，科技的進步，半導(dǎo)體材料在現(xiàn)代科技革命中扮演著極其重要的角色。作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，氮化鎵(GaN)和其它氮化物材料是近年來光電子材料領(lǐng)域和高溫大功率器件方面的研究熱點之一。GaN基半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、電子漂移速度快、導(dǎo)熱性好和耐高溫高壓等突出優(yōu)點，在制作大功率、高頻和高溫電子器件以及光電器
4、件方面具備得天獨厚的優(yōu)勢。目前，GaN材料主要是采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)在SiC、藍寶石、Si和GaAs等襯底上異質(zhì)外延獲得。由于GaN材料與襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，所以異質(zhì)外延得到的GaN薄膜往往具有很高的位錯密度，這些位錯極大地限制了GaN基器件的性能和可靠性。因此，低位錯密度GaN材料外延生長研究一直是GaN研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵課題，也是目前GaN領(lǐng)域的主要研究方向之一。本文系統(tǒng)地研究了斜切藍寶石襯底上GaN外延薄膜的表面形貌、結(jié)晶質(zhì)量及應(yīng)變情況，通過采用不同斜切方向和斜切角度的襯底，有效地改善了GaN外延薄膜的質(zhì)量，并對相關(guān)實驗現(xiàn)象作出了合理的解釋
5、，對斜切襯底誘導(dǎo)GaN中位錯湮滅的機理進行了深入的研究，為更好的把斜切襯底應(yīng)用于高質(zhì)量GaN外延生長中打下了堅實的基礎(chǔ)；另外，我們采用多種生長技術(shù)包括：斜切襯底上HVPE外延、不同基片表面處理及TiN掩膜層等多種方法，有效地降低了GaN外延薄膜的位錯密度，提高其材料質(zhì)量，并對相關(guān)的機理進行了深入的研究，為低位錯密度GaN外延生長提供了新的思路。本文的主要工作和研究成果如下：l、對比研究了C偏m面和c偏a面斜切襯底上GaN外延薄膜結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和內(nèi)部應(yīng)力情況，并對相關(guān)實驗現(xiàn)象作出了合理的解釋。研究表明，斜切襯底可以有效地誘導(dǎo)GaN中位錯的湮滅；C偏m面斜切襯底更有利于GaN生長表面
6、微臺階的合并及應(yīng)力的釋放，因此，C偏朋面斜切襯底上GaN具備更高的結(jié)晶質(zhì)量。2、研究發(fā)現(xiàn)在小角度范圍內(nèi)，斜切角度的大小對GaN結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和應(yīng)力有很大的影響，隨著斜切角度的增大，GaN的結(jié)晶質(zhì)量逐漸提高，表面微臺階寬度增大，內(nèi)部應(yīng)力減小。這說明了較大的斜切角度有利于臺階間的相互合并，促進位錯的傾斜彎曲。另外，在斜切襯底上GaN的形貌研究中，發(fā)現(xiàn)了表面較大的臺階凸起，并且不同斜切方向襯底上GaN的臺階方向不一，我們分別對這些現(xiàn)象作了合理的解釋，并對相應(yīng)的機理作了深入研究。3、采用TEM深入地研究了斜切襯底誘導(dǎo)GaN中位錯湮滅的機理，研究發(fā)現(xiàn)，斜切襯底上GaN中位錯扎堆出現(xiàn)，在局部
7、區(qū)域位錯大量湮滅，并且在不同厚2低位錯密度的GaN外延薄膜生長研究度處出現(xiàn)位錯集中湮滅的區(qū)域，實驗中觀察到兩個位錯集中湮滅的區(qū)域。4、在C偏m面的斜切襯底上利用HVPE方法外延生長厚膜GaN外延層，與常規(guī)襯底上HVPE外延GaN薄膜相比，斜切襯底上HVPE外延GaN中位錯密度降低得更加顯著，我們認為這是因為：一方面斜切襯底促使GaN表面臺階合并使位錯線發(fā)生彎曲，GaN基板中的位錯大部分被湮滅而不能延伸到頂層材料；另一方面GaN中出現(xiàn)了幾個位錯集中湮滅的區(qū)域
