外延氮化鎵薄膜用硅納米圖形襯底的制備及評價研究.pdf

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1、博士學(xué)位論文外延氮化鎵薄膜用硅納米圖形襯底的制備及評價研究THERESEARCHONPREPARATIONANDEVALUATIONOFNANOPATTERNEDSILICONSUBSTRATESFORGALLIUMNITRIDEEPITAXIALFILMS田吉利哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年3月國內(nèi)圖書分類號：TN304.2學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：538.9密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文外延氮化鎵薄膜用硅納米圖形襯底的制備及評價研究博士研究生：田吉利導(dǎo)師：張化宇教授副導(dǎo)師：汪桂根副教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：材料科學(xué)與工程所在單位：深圳研究生院答辯日期：2018年3月授予學(xué)位單位：哈爾

2、濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TN304.2U.D.C:538.9DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHERESEARCHONPREPARATIONANDEVALUATIONOFNANOPATTERNEDSILICONSUBSTRATESFORGALLIUMNITRIDEEPITAXIALFILMSCandidate：JiliTianSupervisor：Prof.HuayuZhangAssociateSupervisor：Assoc.Prof.GuiGenWangAcademicDegreeAppliedfor：Doct

3、orofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceandEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要氮化鎵（GaN）作為典型的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，在光電子器件和電子器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相比于常用的氮化鎵外延用藍(lán)寶石和碳化硅（SiC）襯底，硅襯底更容易實現(xiàn)大尺寸，且具有低成本和良好的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性等諸多優(yōu)勢。但由于其與氮化鎵薄膜之間存

4、在著較大的晶格失配和熱失配，導(dǎo)致難以在硅襯底上原位外延出高質(zhì)量GaN薄膜。硅圖形襯底，是指在硅襯底表面制備具有周期性的圖案結(jié)構(gòu)，有望解決這一難題。然而傳統(tǒng)制備硅圖形襯底的光刻技術(shù)成本高昂并且成品率低，大面積的制備較為困難，尤其當(dāng)圖形特征尺寸降低到100nm以下，這個問題尤為突出?；诖?，本論文提出一種以多孔陽極氧化鋁（AAO）為掩膜，進行干法刻蝕制備硅納米圖形（NPSi）襯底的一種簡易方法，并將其應(yīng)用于外延GaN薄膜質(zhì)量的評價，以實現(xiàn)低成本、高效率、大面積的硅納米圖形襯底的制備。主要研究內(nèi)容有：首先利用硅襯底上磁控濺射Al薄膜的直接陽極氧化得到硅襯底AAO掩膜；接著采用感應(yīng)耦合等離子體（I

5、CP）刻蝕制備硅納米圖形襯底；然后利用原子層沉積（ALD）方法在硅納米圖形襯底上生長三維形貌的ZnO緩沖層；最后，采用脈沖激光沉積（PLD）的方法外延GaN薄膜。論文主要得到了如下結(jié)果：研究了硅襯底上Al薄膜的表面粗糙度隨磁控濺射參數(shù)的變化規(guī)律，解決了Si襯底上濺射Al膜的直接陽極氧化的難點，并實現(xiàn)了硅襯底上AAO掩膜的可控制備。硅襯底Al薄膜的表面粗糙度，隨濺射功率、濺射氣壓以及襯底溫度的增加而增加。當(dāng)直流濺射功率為60W、工作氣壓為0.2Pa、基片溫度為70℃時，可制備出表面粗糙度Ra僅為1.99nm的600nm厚金屬Al薄膜；采用自組裝的陽極氧化裝置，可有效避免實驗中硅襯底的后續(xù)氧化

6、問題；改變擴孔時間，可以有效調(diào)控AAO掩膜的孔徑大小，改變第一次陽極氧化的時間，可以有效地調(diào)控AAO掩膜的厚度。研究了ICP刻蝕參數(shù)對硅納米圖形襯底形貌的影響規(guī)律。以BCl3/Cl2/Ar混合氣體為刻蝕體系，采用兩步刻蝕法，可以實現(xiàn)納米圖形結(jié)構(gòu)從超薄AAO掩膜到硅襯底表面的圖形轉(zhuǎn)移；刻蝕參數(shù)的變化會改變ICP刻蝕過程中各向同性化學(xué)刻蝕和各向異性物理刻蝕的作用比例，從而影響硅的刻蝕速率和刻蝕形貌；當(dāng)Cl2組分濃度為60%、一步刻蝕時間為10s、ICP功率為900W、RF功率為100W、工作氣壓為7mTorr時，可以實現(xiàn)孔徑為65nm、孔壁厚為40nm、孔深為330nm且高度有序排列的AAO多

7、孔陣列圖形的高質(zhì)量轉(zhuǎn)移；此外，通過-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文改變AAO掩膜制備過程中的擴孔時間，可以制備出均一孔深而不同孔徑的硅納米圖形襯底，通過改變第二步刻蝕時間，可制備出均一孔徑而不同孔深的硅納米圖形襯底，且所制備的硅納米圖形襯底可以使入射光進行多次反射和折射，表現(xiàn)出優(yōu)良的減反特性。分析了二維（2D）ALD-ZnO薄膜的最優(yōu)退火參數(shù)以及退火后結(jié)構(gòu)缺陷所導(dǎo)致的光致發(fā)光性質(zhì)，并實現(xiàn)了硅納米圖形襯底上三維（3D）