【摘要】：氮化鎵(GaN)因具有禁帶寬度大(3.4 eV)、電子遷移率高、導(dǎo)熱性好、耐高溫高壓等優(yōu)異的性能,已被廣泛用于發(fā)光二極管、大功率半導(dǎo)體激光器、微波功率器件等領(lǐng)域。由于GaN與異質(zhì)襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配,導(dǎo)致GaN外延薄膜中存在較大的位錯密度,大大降低了半導(dǎo)體器件的電學(xué)和光學(xué)性能。因此開展GaN薄膜晶體質(zhì)量調(diào)控的研究具有重要意義。本論文旨在探究原位沉積氮化硅(SiN_x)插入層對GaN薄膜微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控,采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長SiN_x插入層的方法,制備了GaN外延薄膜,研究了不同沉積時間和不同沉積位置的SiN_x插入層對GaN外延薄膜晶體質(zhì)量的影響,并提出了一種調(diào)控機(jī)制模型;同時利用SiN_x掩膜層穩(wěn)定性極強(qiáng)的性質(zhì),對原位沉積SiN_x掩膜層調(diào)控GaN納米多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,通過腐蝕具有Si N_x掩膜層的GaN外延薄膜制備了納米多孔GaN結(jié)構(gòu),研究了腐蝕時間和腐蝕溫度對納米孔形貌的影響,并討論了SiN_x掩膜層在化學(xué)腐蝕GaN薄膜過程中的作用。具體的研究結(jié)果如下:原位沉積SiN_x插入層可以有效降低GaN薄膜的位錯密度;當(dāng)SiN_x沉積120 s時,GaN薄膜的位錯密度低于SiN_x沉積60 s及180 s的GaN薄膜。這是因?yàn)镾iN_x會在GaN表面的非位錯處成核;在后續(xù)的GaN形核生長過程中,下層GaN中的位錯會繼續(xù)向上延伸并隨著形核島的長大而向水平方向彎曲;當(dāng)形核島互相合并時,部分具有相反伯格斯矢量的位錯會形成位錯環(huán)而互相湮滅。與此同時,GaN形核島互相合并時也會產(chǎn)生新的位錯并向上延伸。當(dāng)SiN_x沉積120 s時,新位錯少于相互湮滅的位錯,從而使位錯密度降低,晶體質(zhì)量得到改善。此外,形核層退火后沉積SiN_x插入層時,GaN薄膜位錯密度最低,晶體質(zhì)量最優(yōu)。這是因?yàn)镾iN_x插入層覆蓋了藍(lán)寶石襯底和截角錐頂部高溫分解留下的六邊形坑的側(cè)壁,部分位錯被SiN_x阻擋,不能繼續(xù)向上延伸,使晶格失配產(chǎn)生的螺位錯數(shù)量大大減少。同時,在SiN_x生長的高溫階段,一些晶體質(zhì)量較差或尺寸過小的形核島很快分解,形核島的數(shù)量減少,從而使形核島邊界處產(chǎn)生的刃位錯的數(shù)量減少。無SiN_x掩膜層的GaN薄膜經(jīng)腐蝕后表面分布有大量大小不一的腐蝕坑,而具有SiN_x掩膜層的GaN薄膜經(jīng)腐蝕后呈納米多孔結(jié)構(gòu),其被腐蝕的程度隨腐蝕時間的延長和腐蝕溫度的升高而加劇。當(dāng)腐蝕時間為15 min、腐蝕溫度為200℃時,納米孔的直徑和深度達(dá)到最佳,且尺寸分布最為均勻。在化學(xué)腐蝕GaN薄膜的過程中,SiN_x掩膜層起到保護(hù)作用,使被其覆蓋的區(qū)域不被酸腐蝕,形成納米多孔結(jié)構(gòu)的側(cè)壁。
【圖文】：

1.2 GaN 的基本性質(zhì)1.2.1 GaN 的晶體結(jié)構(gòu)III-V 族半導(dǎo)體材料包括 GaN、AlN、InN、AlGaN、InGaN 等，都是直接帶隙半導(dǎo)體材料，其中 GaN 是運(yùn)用最為廣泛的 III 族氮化物。GaN 有三種晶體結(jié)構(gòu)，分別為纖礦（六方相）結(jié)構(gòu)、閃鋅礦（立方相）結(jié)構(gòu)和巖鹽（NaCl 結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)，如圖 1-1 所示[9]巖鹽結(jié)構(gòu)的 GaN 需要在極端的高壓條件下經(jīng)過相變才能形成，這種結(jié)構(gòu)不常見。纖鋅礦結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)是 GaN 的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，外延生長只涉及這兩種結(jié)構(gòu)，，兩者的區(qū)別在于原子層的堆積次序不同。纖鋅礦結(jié)構(gòu)沿c軸<0001>按照ABAB…的順序堆疊，閃鋅礦結(jié)構(gòu)沿<111>按照 ABCABC……的順序堆疊，如圖 1-2 所示[10]。疊次序的不同造就了纖鋅礦結(jié)構(gòu)更好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，因此纖鋅礦結(jié)構(gòu)的 GaN 應(yīng)用更為廣泛。

圖 1-2 GaN 晶體兩種結(jié)構(gòu)的原子排列示意圖Fig.1-2 Diagram of atomic structures of two kinds of GaN crystals礦結(jié)構(gòu)ABCABC……的堆疊方式造成了兩種不同極性的GaN，兩種極性的疊方式如圖 1-3 所示。通常情況下 Ga 極性面光亮平整而 N 極性面粗糙，同性也會引發(fā)不同的極化電場進(jìn)而對晶體的光電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響[11,12用 MOCVD 在藍(lán)寶石襯底上生長的二維 GaN 薄膜通常為 Ga 極性面。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2703131