本文關(guān)鍵詞： HVPE GaN單晶 低溫緩沖層 自支撐 位錯(cuò)表征　出處：《山東大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：GaN是一種非常重要的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料,被廣泛應(yīng)用于光電子器件和電力電子器件。但是由于缺乏GaN單晶襯底,目前大部分GaN基器件都是在異質(zhì)襯底上制備的,而二者之間存在的晶格失配和熱失配導(dǎo)致GaN外延層中的位錯(cuò)密度較高,這大大降低了GaN基器件的性能和使用壽命,因此亟需高質(zhì)量的GaN單晶襯底來解決這一問題。氫化物氣相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)法是一種極具前景的生長(zhǎng)GaN單晶的方法,但是HVPE法生長(zhǎng)GaN單晶主要在異質(zhì)襯底上進(jìn)行,因此GaN與異質(zhì)襯底之間的分離成為獲得GaN單晶襯底的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。目前使GaN與異質(zhì)襯底分離最常用的方法是機(jī)械研磨和激光剝離,另外還可以通過在襯底上做結(jié)構(gòu),使GaN在生長(zhǎng)結(jié)束后從異質(zhì)襯底上自剝離,但是這些方法一般都比較復(fù)雜,而且會(huì)增加成本。本論文的研究工作主要是優(yōu)化HVPE生長(zhǎng)GaN晶體的工藝,并采用低溫緩沖層技術(shù),分別在藍(lán)寶石襯底和SiC襯底上生長(zhǎng)自支撐GaN單晶。論文主要研究工作如下：1.研究了Ⅴ/Ⅲ對(duì)GaN晶體質(zhì)量和光電性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)隨著Ⅴ/Ⅲ的增加,GaN單晶中的位錯(cuò)密度降低、殘余應(yīng)力增加、載流子濃度降低、電子遷移率升高、光學(xué)性能變好。當(dāng)Ⅴ/Ⅲ從10增加到50時(shí),GaN單晶中的位錯(cuò)密度降低了近一個(gè)數(shù)量級(jí),殘余應(yīng)力升高了3倍,這主要是由于隨著Ⅴ/Ⅲ的增加,Ga原子的平均擴(kuò)散距離增加,生長(zhǎng)模式從3D模式向2D模式轉(zhuǎn)換,從而使位錯(cuò)密度降低,殘余應(yīng)力變大。對(duì)GaN單晶表面進(jìn)行的EBSD分析發(fā)現(xiàn)隨著Ⅴ/Ⅲ的增加,菊池衍射花樣質(zhì)量變好,但是晶體取向偏離理想情況的角度變大。SMS結(jié)果表明隨著Ⅴ/Ⅲ的增加,Si雜質(zhì)濃度升高而O雜質(zhì)濃度降低,C雜質(zhì)濃度先降低后升高,H雜質(zhì)濃度基本保持不變。另外,隨著Ⅴ/Ⅲ從10增加到50,GaN單晶的載流子濃度從2.118×1018cm-3降低到7.414×1017cm-3,電子遷移率從65 cm2/V sec升高240 cm2/V sec,并且PL光譜的帶邊發(fā)射峰增強(qiáng),黃光帶減弱。2.開發(fā)了一種采用低溫緩沖層技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)自支撐GaN單晶的方法,通過研究緩沖層的厚度和退火溫度對(duì)GaN晶體質(zhì)量的影響,確定了最佳工藝條件,獲得了高質(zhì)量的自支撐GaN單晶。當(dāng)緩沖層厚度為800nnm,退火溫度為1090℃時(shí),得到的HT-GaN (high temperature GaN)晶體質(zhì)量最好,對(duì)應(yīng)的GaN(002)面和(102)面的半峰寬分別為250arcsec和215arcsec, HT-GaN殘余應(yīng)力較小,并且其光學(xué)性質(zhì)最好。對(duì)其表面進(jìn)行的EBSD分析發(fā)現(xiàn),HT-GaN表面BS值相對(duì)較高,這也說明其內(nèi)部應(yīng)力較小。在最佳工藝條件下進(jìn)行HT-GaN的生長(zhǎng)時(shí),當(dāng)晶體厚度超過300μm, GaN單晶就會(huì)從藍(lán)寶石襯底上自剝離。3.采用低溫緩沖層技術(shù)在SiC的C面上直接生長(zhǎng)自支撐GaN單晶,系統(tǒng)研究了不同緩沖層工藝和Ⅴ/Ⅲ對(duì)GaN晶體質(zhì)量的影響,確定了最佳工藝條件,獲得了高質(zhì)量的自支撐GaN單晶。在無緩沖層條件下進(jìn)行HT-GaN的生長(zhǎng)時(shí),得到的HT-GaN為多晶且不能與襯底分離；在沒有經(jīng)過退火的緩沖層上進(jìn)行HT-GaN的生長(zhǎng)時(shí),得到的HT-GaN能從襯底上自剝離但仍為多晶,從而證明了緩沖層在提高晶體質(zhì)量和緩沖應(yīng)力方面起了重要作用。通過對(duì)比不同緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間下和Ⅴ/Ⅲ下得到的HT-GaN的晶體質(zhì)量,確定了當(dāng)緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間為30min、Ⅴ/Ⅲ為90時(shí)得到的HT-GaN晶體質(zhì)量最好,并且生長(zhǎng)結(jié)束后,GaN單晶可以從SiC上自剝離,而SiC襯底沒有受到任何破壞,可以重復(fù)使用。在此生長(zhǎng)條件下得到的自支撐GaN單晶的(002)和(102)面的半峰寬分別為261arcsec和272arcsec,單晶接近無應(yīng)力狀態(tài)并且其光學(xué)性質(zhì)良好。對(duì)自支撐GaN斷面進(jìn)行EBSD掃描發(fā)現(xiàn),隨著厚度的增加,自支撐GaN的晶體質(zhì)量提高,應(yīng)力減小。4.根據(jù)位錯(cuò)的應(yīng)變能和退火坑形成自由能之間的關(guān)系,開發(fā)了一種新的表征GaN中位錯(cuò)的方法—高溫退火法。由于位錯(cuò)的應(yīng)變能會(huì)降低退火坑形成的自由能,從而使退火坑在位錯(cuò)處優(yōu)先形成,且由于混合位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的應(yīng)變能大于刃位錯(cuò)的應(yīng)變能,使得混合位錯(cuò)和螺位錯(cuò)對(duì)應(yīng)的退火坑尺寸大于刃位錯(cuò)對(duì)應(yīng)的退火坑尺寸,因此可以根據(jù)退火坑的差異對(duì)不同的位錯(cuò)進(jìn)行表征。通過研究不同的退火溫度下GaN表面退火坑的分布和形貌變化發(fā)現(xiàn)退火溫度為1100℃,退火時(shí)間為5min是表征位錯(cuò)的最佳條件。AFM測(cè)試結(jié)果表明,有大小兩種退火坑,且大的退火坑有兩種形狀,分別為：倒梯形和倒金字塔形,這兩種形貌的退火坑對(duì)應(yīng)的晶面相同,都是{2023}面；將高溫退火法與KOH-NaOH混合熔融液腐蝕法和CL表征位錯(cuò)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)高溫退火法能夠有效的辨別位錯(cuò)種類,評(píng)估位錯(cuò)密度；通過TEM測(cè)試證明了退火坑為位錯(cuò)線的終端,且大的退火坑對(duì)應(yīng)的是混合位錯(cuò)和螺位錯(cuò),小的退火坑對(duì)應(yīng)的是刃位錯(cuò)。
[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】：2016
【分類號(hào)】：TN304

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳勇波;周建軍;徐躍杭;國(guó)云川;徐銳敏;;GaN高電子遷移率晶體管高頻噪聲特性的研究[J];微波學(xué)報(bào);2011年06期

2 張保平;蔡麗娥;張江勇;李水清;尚景智;王篤祥;林峰;林科闖;余金中;王啟明;;GaN基垂直腔面發(fā)射激光器的研制[J];廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年05期

3 汪連山,劉祥林,岳國(guó)珍,王曉暉,汪度,陸大成,王占國(guó);N型GaN的持續(xù)光電導(dǎo)[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);1999年05期

4 趙麗偉;滕曉云;郝秋艷;朱軍山;張帷;劉彩池;;金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的GaN膜中V缺陷研究[J];液晶與顯示;2006年01期

5 張進(jìn)城;董作典;秦雪雪;鄭鵬天;劉林杰;郝躍;;GaN基異質(zhì)結(jié)緩沖層漏電分析[J];物理學(xué)報(bào);2009年03期

6 陳裕權(quán);;歐洲通力合作發(fā)展GaN技術(shù)[J];半導(dǎo)體信息;2009年04期

7 張金風(fēng);郝躍;;GaN高電子遷移率晶體管的研究進(jìn)展[J];電力電子技術(shù);2008年12期

8 唐懿明;;電注入連續(xù)波藍(lán)光GaN基垂直腔面發(fā)射激光器[J];光機(jī)電信息;2008年08期

9 Tim McDonald;;基于GaN的功率技術(shù)引發(fā)電子轉(zhuǎn)換革命[J];中國(guó)集成電路;2010年06期

10 陳裕權(quán);;日本GaN基器件研究進(jìn)展[J];半導(dǎo)體信息;2004年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 陳勇波;周建軍;徐躍杭;國(guó)云川;徐銳敏;;GaN高電子遷移率晶體管高頻噪聲特性的研究[A];2011年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集（下冊(cè)）[C];2011年

2 金豫浙;曾祥華;胡益佩;;γ輻照對(duì)GaN基白光和藍(lán)光LED的光學(xué)和電學(xué)特性影響[A];二00九全國(guó)核反應(yīng)會(huì)暨生物物理與核物理交叉前沿研討會(huì)論文摘要集[C];2009年

3 魏萌;王曉亮;潘旭;李建平;劉宏新;肖紅領(lǐng);王翠梅;李晉閩;王占國(guó);;高溫AlGaN緩沖層的厚度對(duì)Si(111)基GaN外延層的影響[A];第十一屆全國(guó)MOCVD學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

4 王文軍;宋有庭;袁文霞;曹永革;吳星;陳小龍;;用Li_3N和Ga生長(zhǎng)塊狀GaN單晶的生長(zhǎng)機(jī)制[A];第七屆北京青年科技論文評(píng)選獲獎(jiǎng)?wù)撐募痆C];2003年

5 劉福浩;許金通;王玲;王榮陽;李向陽;;GaN基雪崩光電二極管及其研究進(jìn)展[A];第十屆全國(guó)光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2012年

6 王曦;孫佳胤;武愛民;陳靜;王曦;;新型硅基GaN外延材料的熱應(yīng)力模擬[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（10）[C];2007年

7 高飛;熊貴光;;GaN基量子限制結(jié)構(gòu)共振三階極化[A];第五屆全國(guó)光學(xué)前沿問題研討會(huì)論文摘要集[C];2001年

8 凌勇;周赫田;朱星;黃貴松;黨小忠;張國(guó)義;;利用近場(chǎng)光譜研究GaN藍(lán)光二極管的雜質(zhì)發(fā)光[A];第五屆全國(guó)STM學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1998年

9 王連紅;梁建;馬淑芳;萬正國(guó);許并社;;GaN納米棒的合成與表征[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（6）[C];2007年

10 陳寵芳;劉彩池;解新建;郝秋艷;;HVPE生長(zhǎng)GaN的計(jì)算機(jī)模擬[A];第十六屆全國(guó)半導(dǎo)體物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2007年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 銀河證券 曹遠(yuǎn)剛;春蘭股份 開發(fā)GaN 又一方大[N];中國(guó)證券報(bào);2004年

2 ;松下電器采用SiC基板開發(fā)出新型GaN系高頻晶體管[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2003年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 趙景濤;GaN基電子器件勢(shì)壘層應(yīng)變與極化研究[D];山東大學(xué);2015年

2 毛清華;高光效硅襯底GaN基大功率綠光LED研制[D];南昌大學(xué);2015年

3 陳浩然;太赫茲波段GaN基共振隧穿器件的研究[D];西安電子科技大學(xué);2015年

4 田媛;HVPE生長(zhǎng)自支撐GaN單晶及其性質(zhì)研究[D];山東大學(xué);2016年

5 賈秀玲;用于飲用水中有害陰離子檢測(cè)的GaN基HEMT傳感器的研究[D];南京大學(xué);2016年

6 龔欣;GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管及相關(guān)基礎(chǔ)研究[D];西安電子科技大學(xué);2007年

7 徐波;GaN納米管的理論研究及GaN緊束縛勢(shì)模型的發(fā)展[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

8 李亮;GaN基太赫茲器件的新結(jié)構(gòu)及材料生長(zhǎng)研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

9 王虎;藍(lán)寶石襯底上AlN薄膜和GaN、InGaN量子點(diǎn)的MOCVD生長(zhǎng)研究[D];華中科技大學(xué);2013年

10 高興國(guó);GaN基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備與性能研究[D];山東師范大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 徐新兵;基于GaN納米線鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管及相關(guān)電性能[D];華南理工大學(xué);2015年

2 周金君;溫度對(duì)GaN（0001）表面生長(zhǎng)吸附小分子SrO、BaO和Ti0_2影響的理論研究[D];四川師范大學(xué);2015年

3 艾明貴;星載GaN微波固態(tài)功率放大器的研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心);2015年

4 王玉堂;Virtual Source模型模擬分析GaN基電子器件特性研究[D];山東大學(xué);2015年

5 井曉玉;壘結(jié)構(gòu)對(duì)硅襯底GaN基綠光LED性能的影響[D];南昌大學(xué);2015年

6 徐政偉;硅襯底GaN基LED光電性能及可靠性研究[D];南昌大學(xué);2015年

7 肖新川;GaN微波寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2014年

8 郭潔;Ce摻雜GaN納米結(jié)構(gòu)的制備及物性研究[D];新疆大學(xué);2015年

9 尹成功;毫米波GaN基HEMT小信號(hào)建模和參數(shù)提取[D];電子科技大學(xué);2014年

10 馮嘉鵬;GaN基HEMT器件的性能研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化[D];河北工業(yè)大學(xué);2015年

，

本文編號(hào)：1513928