【摘要】：GaN是一種性能優(yōu)越的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,直接帶隙寬度為3.4eV,可以被用于制造高性能光電子器件、高功率電力器件以及高頻電子器件等,具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而,GaN晶體也是最難以獲得的半導(dǎo)體材料之一。GaN單晶襯底非常難以制備且價(jià)格極其昂貴,這一瓶頸極大地制約了 GaN技術(shù)的發(fā)展前途。過去幾十年,最常用的解決方法是在藍(lán)寶石、SiC等襯底上通過異質(zhì)外延生長獲得GaN薄膜材料。與常用的藍(lán)寶石、SiC襯底相比,Si襯底作為GaN的外延襯底不僅價(jià)格低廉,而且比較容易實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有主流Si基CMOS集成電路及其它Si基器件和系統(tǒng)的集成。然而,GaN與Si襯底之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配是GaN在其上生長的兩大阻礙。不僅典型位錯(cuò)密度高于其它常用襯底,而且嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致外延薄膜開裂,根本無法達(dá)到制造器件的要求。為了降低Si基GaN外延薄膜的應(yīng)力,提高GaN薄膜的晶體質(zhì)量,本文采用的外延技術(shù)是圖形化襯底技術(shù)以及加頂部限制層的橫向外延技術(shù),并研究GaN晶體在這些結(jié)構(gòu)中的外延質(zhì)量。1、在小尺寸的圖形化結(jié)構(gòu)中的選擇性外延有利于減少GaN和Si襯底異質(zhì)界面上的應(yīng)力累積,減少位錯(cuò)數(shù)量,并且避免外延薄膜開裂。另外,在高深寬比的小孔中的GaN選擇性異質(zhì)外延,可阻斷外延時(shí)產(chǎn)生的貫通位錯(cuò)。因此我們設(shè)計(jì)了亞微米以及納米尺度的小孔圖形,且小孔深寬比大于1:1。結(jié)合AlN緩沖層技術(shù),在這些小且深的孔洞中進(jìn)行GaN晶體的外延生長。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在這些小且深的孔洞中獲得了幾乎無位錯(cuò)的高質(zhì)量GaN晶體,并且這些孔洞結(jié)構(gòu)對異質(zhì)外延產(chǎn)生的位錯(cuò)過濾效果明顯。2、小孔中的GaN材料面積太小,無法制作橫向尺寸超過亞微米量級的器件。為實(shí)現(xiàn)更大尺寸GaN半導(dǎo)體器件的制造,本課題在上述小孔中獲得高質(zhì)量GaN材料的基礎(chǔ)上,采用了 2種方法:(1)在小孔中GaN生長之后,在掩膜層上面進(jìn)行橫向外延,小孔陣列的GaN進(jìn)行合并,以增大GaN的橫向面積;(2)利用加頂部限制層的橫向外延技術(shù)在橫向距離8um或者25 um,高度為300 nm的空腔結(jié)構(gòu)中外延大面積GaN薄膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),(1)小孔正上方區(qū)域的GaN質(zhì)量很高,但相鄰小孔生長出的GaN在合并區(qū)域產(chǎn)生大量層疊位錯(cuò);(2)加頂部限制層的橫向外延結(jié)構(gòu)樣品中,橫向外延距離為8um的樣品成功生長出了 GaN晶體。綜上所述,本論文充分的利用GaN的選擇性生長這一特點(diǎn),設(shè)計(jì)了多種亞微米、納米圖形尺寸和深寬比,并且設(shè)計(jì)了多種加頂部限制層的橫向外延空腔結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證明,深的亞微米結(jié)構(gòu)確實(shí)可以起到減少位錯(cuò)的作用,并提高GaN的晶體質(zhì)量。同時(shí)在此基礎(chǔ)上,通過在掩膜層上面直接進(jìn)行橫向外延,或者利用加頂部限制層的空腔結(jié)構(gòu)中的橫向外延技術(shù),可以極大地增加GaN薄膜的橫向面積,以便制作大尺寸的GaN器件。這些生長方法也為GaN半導(dǎo)體材料在其它襯底上的生長提供了新的思路。
【圖文】：

漂移飽和速度高，在電子器件中電性能優(yōu)良；此外它們因?yàn)榻殡姵?shù)小，導(dǎo)熱性能逡逑好等特點(diǎn)被廣泛關(guān)注。第三代寬禁帶半導(dǎo)體適合應(yīng)用在固態(tài)照明和功率器件上，功逡逑率器件主要應(yīng)用于高頻、大功率和高密度集成的電子器件，如圖１．１中ＬＥＤ或ＨＥＭＴ逡逑器件等，它們可以成為支撐未來能源節(jié)約型社會(huì)的基礎(chǔ)［２］。逡逑ｎ逡逑圖１．邋１藍(lán)光ＧａＮ基ＬＥＤ器件逡逑ＧａＮ的熔點(diǎn)高徸２８０（ＴＣ，此時(shí)ＧａＮ的平衡蒸氣壓高達(dá)４５０００大氣壓，這使ＧａＮ體逡逑單晶的制備極為困難，很難得到大尺寸ＧａＮ同質(zhì)襯底［：”。目前，ＧａＮ本征襯底的價(jià)格逡逑十分昂貴，只有在十分精密和高級的系統(tǒng)中才會(huì)應(yīng)用。所以，ＧａＮ—般只能生長在其逡逑它的單晶襯底上，，常見的有藍(lán)寶石、ＳｉＣ和Ｓｉ邋（１１１）襯底等。上述在一種單晶材料逡逑的表面生長另一種不同單晶材料的過程稱為異質(zhì)外延。通常情況下，所有半導(dǎo)體材逡逑料的異質(zhì)外延都存在兩個(gè)問題，即不同半導(dǎo)體材料之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失逡逑配

逡逑在２００３年，Ａ．邋Ｄａｄｇａｒ等人［２２］發(fā)現(xiàn)了Ｓｉ上直接外延生長ＧａＮ，會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的腐蝕問題，逡逑如圖２．邋１所示逡逑ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ邋ＧａＮ邋ｌａｙｅｒ邋｜逡逑－邋？逡逑ＩＢＨＨＨ逡逑圖２．１邋Ｇａ反應(yīng)源對Ｓｉ襯底的腐蝕作用逡逑５逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN304.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 王曦;硅基微結(jié)構(gòu)上的GaN外延生長研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）;2008年

2 李嘉煒;硅基GaN歐姆接觸及紫外探測器的研究[D];浙江大學(xué);2002年

3 王宇;硅基GaN薄膜制備及紫外探測器的初步研究[D];浙江大學(xué);2001年

本文編號：2594759