【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)控機制模型;同時利用SiN_x掩膜層穩(wěn)定性極強的性質(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。這是因為SiN_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)。這是因為SiN_x插入層覆蓋了藍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】

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本文編號：2703131