低位錯(cuò)密度的GaN外延薄膜生長(zhǎng)研究

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1、西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文低位錯(cuò)密度的GaN外延薄膜生長(zhǎng)研究作者：歐新秀導(dǎo)師：張進(jìn)成教授學(xué)科：微電子學(xué)與固體電子學(xué)中國(guó)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(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)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(xiě)過(guò)的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名：叢塹盤(pán)日期關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。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(shí)署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。學(xué)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(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?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(xué)位論文屬于保密在一年解密后適用本授權(quán)書(shū)。日期摘要隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)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(lái)光電子材料領(lǐng)域和高溫大功率器件方面的研究熱點(diǎn)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(diǎn)，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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。目前，GaN材料主要是采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)在SiC、藍(lán)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(cuò)密度，這些位錯(cuò)極大地限制了GaN基器件的性能和可靠性。因此，低位錯(cuò)密度GaN材料外延生長(zhǎng)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(lán)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(guò)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(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出了合理的解釋

5、，對(duì)斜切襯底誘導(dǎo)GaN中位錯(cuò)湮滅的機(jī)理進(jìn)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(zhǎng)中打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；另外，我們采用多種生長(zhǎng)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(cuò)密度，提高其材料質(zhì)量，并對(duì)相關(guān)的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，為低位錯(cuò)密度GaN外延生長(zhǎng)提供了新的思路。本文的主要工作和研究成果如下：l、對(duì)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(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(cuò)的湮滅；C偏m面斜切襯底更有利于GaN生長(zhǎng)表面

6、微臺(tái)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(duì)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(tái)階寬度增大，內(nèi)部應(yīng)力減小。這說(shuō)明了較大的斜切角度有利于臺(tái)階間的相互合并，促進(jìn)位錯(cuò)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(tái)階凸起，并且不同斜切方向襯底上GaN的臺(tái)階方向不一，我們分別對(duì)這些現(xiàn)象作了合理的解釋?zhuān)?duì)相應(yīng)的機(jī)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(cuò)湮滅的機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，斜切襯底上GaN中位錯(cuò)扎堆出現(xiàn)，在局部

7、區(qū)域位錯(cuò)大量湮滅，并且在不同厚2低位錯(cuò)密度的GaN外延薄膜生長(zhǎng)研究度處出現(xiàn)位錯(cuò)集中湮滅的區(qū)域，實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到兩個(gè)位錯(cuò)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(zhǎng)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(cuò)密度降低得更加顯著，我們認(rèn)為這是因?yàn)椋阂环矫嫘鼻幸r底促使GaN表面臺(tái)階合并使位錯(cuò)線(xiàn)發(fā)生彎曲，GaN基板中的位錯(cuò)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(gè)位錯(cuò)集中湮滅的區(qū)域