本文選題：HVPE　切入點(diǎn)：GaN　出處：《山東大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：以GaN為代表的Ⅲ/Ⅴ族化合物半導(dǎo)體由于其出色的性能,在微電子器件和光電器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)階段GaN基器件大多是異質(zhì)外延制備的,晶格失配和熱失配限制了GaN基器件的性能提高。同質(zhì)外延已經(jīng)被公認(rèn)為從根本上解決GaN基器件瓶頸的方法,HVPE (Hydride Vapor Phase Epitax,氫化物氣相外延)技術(shù)制備自支撐GaN單晶成為研究的熱點(diǎn)。而GaN晶體和襯底的自剝離是獲得自支撐GaN單晶的關(guān)鍵技術(shù)之一,本文利用不同方法制備多孔襯底,并開展了在多孔襯底上利用HVPE方法生長自剝離GaN單晶的研究,具體研究內(nèi)容如下：1.系統(tǒng)研究了GaN外延生長過程中原子的擴(kuò)散輸運(yùn)對(duì)外延層的生長模式、表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響。探討了Ⅴ/Ⅲ比、微觀原子擴(kuò)散與宏觀應(yīng)力之間的關(guān)系,利用微觀原子擴(kuò)散理論將宏觀應(yīng)力性質(zhì)和生長動(dòng)力學(xué)聯(lián)系起來,為在不同應(yīng)力狀態(tài)下的襯底上生長高質(zhì)量GaN單晶提供依據(jù)。為了研究襯底的不同應(yīng)力對(duì)晶體生長的影響,我們分別在兩種不同應(yīng)力狀態(tài)的MGA (MOCVD-GaN onAl2O3)和MGS(MOCVD-GaN on SiC)襯底上,通過調(diào)節(jié)Ⅴ/Ⅲ比獲得了高質(zhì)量GaN單晶。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果發(fā)現(xiàn),高Ⅴ/Ⅲ可以獲得高的原子遷移能力,不同應(yīng)力通過影響表面擴(kuò)散勢壘影響原子的遷移,在此基礎(chǔ)上討論了通過Ⅴ/Ⅲ調(diào)節(jié)來克服襯底應(yīng)力對(duì)晶體生長影響的機(jī)理,證明應(yīng)力及表面生長動(dòng)力學(xué)模型拓展了GaN單晶的生長機(jī)理研究,為在各種新型襯底上制備GaN單晶打下了基礎(chǔ)。2.使用高溫退火工藝制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的HTAP (high temperature annealing porous,高溫退火多孔)襯底,并用作HVPE生長籽晶制備了高質(zhì)量自剝離GaN單晶。利用在一定溫度和氣氛下GaN晶體的選擇性分解,研究了退火溫度、退火時(shí)間、退火氣氛及襯底的摻雜、位錯(cuò)等因素對(duì)高溫退火后結(jié)構(gòu)的影響,使用HVPE方法,在HTAP襯底上制備得到的自支撐GaN晶體,利用HRXRD測試其半峰寬,發(fā)現(xiàn)(002)和(102)衍射峰半峰寬和普通襯底上制備的GaN晶體相比更小；PL測試的結(jié)果表明,HTAP襯底制備的GaN位錯(cuò)密度更低,光學(xué)質(zhì)量更好；而Raman光譜結(jié)果表明HTAP襯底制備的GaN殘余應(yīng)力大大減小。3.利用Si02圖形掩膜的輔助作用,通過高溫退火形成具有層狀倒金字塔結(jié)構(gòu)的圖形化多孔襯底,并用作HVPE生長籽晶制備了高質(zhì)量GaN單晶。由于GaN單晶位錯(cuò)位置處的活化能較低,在一定溫度下,GaN單晶易于在位錯(cuò)處發(fā)生分解,從而形成倒金字塔形狀的多孔結(jié)構(gòu)。高溫退火后得到的多孔結(jié)構(gòu)密度和位錯(cuò)密度相關(guān),退火時(shí)形成的倒金字塔結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)固定的分解停止晶面；而Si02圖形掩膜可以調(diào)節(jié)橫向分解速度和縱向分解速度,使得多孔結(jié)構(gòu)更加均勻；由于多孔結(jié)構(gòu)的存在,在襯底和GaN單晶之間形成了空隙結(jié)構(gòu),減少了襯底的機(jī)械強(qiáng)度,具有柔性緩沖層的作用,這有助于提高GaN單晶質(zhì)量,減少其內(nèi)部應(yīng)力,促進(jìn)晶體的自剝離。4.使用兩步腐蝕方法腐蝕MOCVD-GaN外延片,形成均勻的倒三角多孔結(jié)構(gòu)襯底,利用該襯底制備得到GaN單晶。首先利用電化學(xué)腐蝕外延片可以形成能夠到達(dá)襯底和GaN交界處的小孔徑管道,然后熱磷酸溶液通過該小孔徑管道可以到達(dá)界面處,由于N面比Ga面更容易腐蝕,熱磷酸可以腐蝕N面GaN形成倒三角多孔結(jié)構(gòu),而在其表面沒有形成較大的腐蝕坑,研究發(fā)現(xiàn)外延片的質(zhì)量、摻雜情況、腐蝕液的選擇、腐蝕偏壓等因素對(duì)腐蝕后的形貌結(jié)構(gòu)具有較大的影響；利用這種兩步腐蝕法得到的具有平整表面和多孔界面結(jié)構(gòu)的襯底作為籽晶進(jìn)行晶體生長,可以提高晶體質(zhì)量、減少殘余應(yīng)力,且有利于襯底自剝離。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN304.2

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本文編號(hào)：1717766