【摘要】：隨著Ⅲ族氮化物外延技術的發(fā)展和器件制備工藝的進步,基于GaN的各類光電子器件發(fā)展迅速。為滿足高性能大功率GaN基光電子器件和電力電子器件的要求,制備更少缺陷更高質量的GaN材料是必要且具有挑戰(zhàn)性的。在藍寶石襯底上異質外延生長的GaN的位錯密度較高,降低位錯的方法主要有側向外延技術和圖形化藍寶石襯底,這些方法工藝復雜,制作成本較高,而原位生長的非晶SiN_x也能對GaN材料中的穿透位錯起阻擋作用�；诖�,本論文提出了一種缺陷優(yōu)先鈍化法來降低藍寶石襯底上異質外延GaN的穿透位錯密度。另一方面,低溫AlN薄膜常用于晶體管中作為絕緣層和界面層,常使用ALD的方法來制備,其生長速率較慢,原材料浪費較嚴重。此前,我們實驗室對MOCVD設備進行了半面進氣改造,理論上可實現(xiàn)類似于ALD的進氣模式。在此基礎上,本論文使用MOCVD半面進氣模式生長低溫AlN薄膜,并研究了它的生長特性和AlN薄膜的表面形貌、結晶性以及光學特性等。論文主要內容如下:(1)為降低藍寶石襯底上異質外延GaN的穿透位錯密度,我們提出了缺陷優(yōu)先鈍化法。首先在藍寶石襯底上外延GaN籽晶層,然后使用濕法腐蝕的方法在籽晶層表面產生位錯坑,再放入MOCVD設備中原位生長SiN_x插入層和第二層GaN,通過非晶SiN_x優(yōu)先填充位錯坑阻擋穿透位錯的向上傳播,第二層GaN的位錯密度大幅降低。在此缺陷優(yōu)先鈍化法中,濕法腐蝕的條件和SiN_x插入層的生長條件是降低位錯的關鍵。我們系統(tǒng)地研究了SiN_x生長時間和濕法腐蝕位錯坑尺寸、深度對降低GaN位錯的影響,并討論了此方法降低位錯的機理:非晶SiN_x對位錯的阻擋作用。最后通過優(yōu)化第二層GaN的生長條件,進一步降低了GaN晶體的穿透位錯密度。相比于傳統(tǒng)兩步法,此方法制備的GaN外延片的穿透位錯密度降低了一個數(shù)量級。(2)我們利用改造后的MOCVD設備使用半面進氣模式在異質襯底上生長了低溫AlN薄膜,并研究了AlN薄膜的厚度隨生長溫度、TMAl和NH_3流量以及不同襯底的變化。結果表明在330~370℃,AlN薄膜的生長速率隨TMAl和NH_3流量的增加不再增加,即具有自限制生長效應。在圖形化藍寶石襯底上生長了AlN薄膜表明這種方法也具有很好的保形性。進一步地,我們研究了AlN薄膜的材料密度、表面形貌隨溫度的變化。隨著生長溫度的增加,AlN薄膜的平均晶粒尺寸增加、表面粗糙度增加,因為隨著生長溫度的升高,AlN生長模式向島狀生長轉變。材料密度也隨著生長溫度的升高而增大,這可能是由于更高的生長溫度導致TMAl和NH_3反應更完全。最后我們還研究了AlN薄膜的結晶性和光學特性,在生長溫度為350~400℃時,生長的AlN薄膜為纖鋅礦型多晶,且會優(yōu)先生長(002)面。AlN薄膜的光學禁帶寬度會隨著生長溫度的上升呈增大趨勢,這可能是由不同溫度下生長的AlN薄膜的材料密度和厚度不同導致的。
【圖文】：

圖 1.1 III族氮化物的三種基本晶體結構：（a）纖鋅礦結構（b）閃鋅礦結構（c）巖鹽結構Figure 1.1 Three basic crystal structures of Group IIInitrides: (a) wurtzite structure (b)sphalerite structure (c) rock salt structure三種晶體的結構如圖 1.1 所示，其中，纖鋅礦結構的 GaN（又稱為 -GaN）可以看作是由 Ga 原子和 N 原子各自形成的六角密堆積子晶格沿[0001]方向平移5/8 個[0001]晶格常數(shù)形成的。閃鋅礦結構的 GaN（稱為 β-GaN）類似于金剛石結構，，它是由 Ga 原子和 N 原子兩個面心立方子晶格沿[111]方向平移 1/4 個[111]長度套構形成的。纖鋅礦結構和閃鋅礦結構的配位多面體是相同的，在這兩種結構中，III 族原子均是四面體配位的，即每個 Ga 原子被 4 個最近鄰的 N 原子包圍，形成一個四面體，每個 N 原子也被 4 個最近鄰的 Ga 原子所包圍。區(qū)別在于這兩種結構中的原子堆垛次序是不一樣的。纖鋅礦結構中的密堆積面（0001）晶

圖 1.2 纖鋅礦 GaN 的不同極性晶面的晶體結構.2 Crystal Structure of Different Polar Crystal Faces of W型 GaN 是極性半導體，它也有一些半極性和 面是極性面，r 面是半極性面，m 面和 a 面是、混合表面終端以及未混合表面終端和各個平不同的行為。盡管對其他晶面的研究也吸引了究還是主要集中于 c 面氮化物。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN304

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