發(fā)布時間：2019-09-11 14:53

【摘要】：三元化合物半導體AlGaN隨著Al組分從0變化到1,可實現禁帶寬度從3.4 eV到6.2 eV,即對應波長范圍從365 nm到200 nm連續(xù)可調;可用于制備紫外發(fā)光二極管、紫外探測器、高電子遷移率晶體管等器件。為了制備高性能器件,高質量AlGaN外延材料的研發(fā)勢在必行。目前,外延生長AlGaN的襯底主要是藍寶石和Si等。這些襯底與AlGaN之間的晶格失配度較大,難以進行高質量Al Ga N外延薄膜的生長。采用金屬Al作為襯底可以有效地解決上述問題。金屬Al(111)與AlGaN(0002)之間晶格失配度為8.9%~11.4%,且通過合理控制外延生長工藝,可實現Al組分可控AlGaN的外延。目前,外延生長AlGaN的技術主要有磁控濺射(reactive magnetron sputtering,RMS)、金屬有機物氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)、原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)、以及脈沖激光沉積(pulsed laser deposition,PLD)等。RMS外延生長溫度高、生長室真空度低等;MOCVD技術外延生長溫度高,且存在不可逆TMAl-NH3預反應;MBE技術外延生長溫度高、存在界面反應等;ALD生長速度慢、生長室真空度低等。相比之下,PLD能夠有效解決上述問題。脈沖激光燒蝕靶材產生的羽輝等離子體具有很高的動能,可在低溫、合適的真空度下進行外延生長具有突變異質結界面的薄膜,且不存在預反應,靈活性強。因此,本論文采用PLD在Al襯底上外延生長Al組分可控的AlGaN。然而,傳統(tǒng)的PLD,由于激光燒蝕靶材產生粒子定向性好,導致外延生長的薄膜厚度均勻性較差。針對上述現狀,本論文采用激光Raster輔助PLD在Al襯底上外延生長Al組分可控AlGaN,并對Al襯底上AlGa N的缺陷形成和湮滅機制以及生長機理進行系統(tǒng)而深入地研究。本論文主要研究內容和結論如下:首先,采用PLD在Al襯底上外延高均勻性無裂紋AlN。通過研究單脈沖激光能量、生長氣壓、生長溫度、襯底氮化、降溫速度對AlN外延的晶體質量、表面形貌、應力狀態(tài)、界面性能影響,從而在Al襯底上實現了高質量AlN外延。盡管Al襯底比較活潑,但脈沖激光燒蝕產生的羽輝等離子體具有較高動能,可在較低的溫度下實現外延生長,從而有效地抑制AlN與Al之間的界面反應,實現了具有突變異質界面的高質量AlN外延。此外,本論文研究了激光Raster輔助PLD對Al襯底上AlN外延的厚度均勻性和表面粗糙度均方根(root-mean-square,RMS)均勻性的影響。通過調節(jié)Raster程序,改變激光Raster在靶材的掃描位置和速度,改變了羽輝等離子體的空間分布,從而實現AlN羽輝等離子體在襯底上的均勻沉積。最后,本論文還討論了Al襯底上PLD外延AlN的缺陷形成和湮滅機制及其生長機理。Al襯底氮化處理不僅可以釋放應力,還生成了一層AlN外延形核層,為后期AlN外延提供模板;PLD高能效應能夠幫助粒子克服能量勢壘進行遷移、擴散、形核和生長;PLD脈沖效應讓粒子有足夠的時間遷移到平衡位置,三者結合促進AlN的二維生長。其次,采用PLD在Al襯底上外延Al組分可控的高均勻性無裂紋AlGaN�；贏l襯底上AlN外延生長的優(yōu)化工藝,再通過合理選擇靶材以及調節(jié)外延生長溫度,實現了不同Al組分AlGaN的外延�；诖�,本論文提出了在脈沖激光燒蝕產生的GaN粒子先以GaN形式在Al襯底上形核,然后Al原子通過擴散進入GaN晶格,部分取代了GaN晶胞中Ga的位置,從而實現了AlGaN的外延。由于襯底溫度不同,Al原子擴散進入GaN晶格的程度不同,因此可實現不同Al組分AlGaN的外延。通過研究不同生長工藝對AlGaN的晶體質量、表面形貌、應力狀態(tài)、界面性能、Al組分均勻性等影響可知采用低溫外延結合高溫外延,可實現高質量AlGaN外延。在低溫條件下外延,可在襯底表面形成大量的形核島,有利于粒子的形核;同時,這個過程釋放了襯底與薄膜之間因晶格失配而產生的應力。接著進行高溫外延生長,一方面,Al原子擴散加劇,生成了具有與高溫條件下外延生長相同Al組分的AlGa N;另一方面,由于高溫外延促進粒子的遷移,從而加快了島之間的合并和交聯,導致大量穿透位錯發(fā)生彎曲、偏轉等,實現了2μm厚高質量無裂紋的AlGaN外延。最后,采用PLD在Al襯底上外延高均勻性無裂紋GaN�；趦�(yōu)化的PLD工藝條件,本論文研究了無緩沖層、不同晶態(tài)緩沖層及非晶插入層技術對外延生長的GaN晶體質量、表面形貌、應力狀態(tài)、界面性能的影響,可知AlN晶態(tài)緩沖層結合AlN非晶插入層技術可以實現高質量GaN的外延。一方面,AlN能夠有效抑制Al原子擴散進入GaN晶格,同時AlN與Al晶格失配度小,有利于減少晶格失配產生的位錯;另一方面,由于AlN非晶層的插入,有效地釋放應力;同時導致大量位錯在非晶層內發(fā)生彎曲、偏轉等,進而阻止了位錯向GaN外延層的延伸,從而實現了高質量無裂紋Ga N外延。此外,本論文還研究了采用PLD在AlN/Al異質結上外延生長GaN的形核機理。本論文在Al襯底上外延的高質量Al組分可控Al GaN,將為制備高性能紫外探測器、紫外發(fā)光二極管等器件打下堅實基礎。同時,通過深入研究PLD外延生長Al組分可控AlGaN的缺陷形成與湮滅機制,為高質量AlGaN外延提供重要指導。
【圖文】：

圖 1 GaN 的結構示意圖(a)纖鋅礦結構；(b)閃鋅礦結構；(c) NaCl 結構Fig. 1-1 The schematic diagram of GaN structure, (a) wurtzite, (b) zinc-blende and (c) NaCl structures六方纖鋅礦(hexagonal, wurtzite) 結構的 GaN 具有六次旋轉對稱性，是由六角單胞構成，因而具有兩個晶格常數(a 和 c)。對于一個 GaN 的單胞是由兩套套構沿著[0001]方向移動 3/8c 距離形成的。此種情況下的 GaN 對稱點群是六方纖鋅礦結構，其空間群為P63mc，其晶格常數是 a=0.3189 nm，，c=0.5185 nm [20-21]。對于這種結構的 GaN 晶格排布是：….GaANAGaBNBGaANAGaBNB…...。六方纖鋅礦結構 GaN 在[0001]、[11-20]和[1-100]方向的晶體結構如圖 1-2 所示。這種結構是 GaN 最穩(wěn)定的結構 [18-19]。有關六方纖鋅礦結構 GaN 以及 AlN 的物理參數如表 1-1 所示。

圖 1 GaN 的結構示意圖(a)纖鋅礦結構；(b)閃鋅礦結構；(c) NaCl 結構Fig. 1-1 The schematic diagram of GaN structure, (a) wurtzite, (b) zinc-blende and (c) NaCl structures六方纖鋅礦(hexagonal, wurtzite) 結構的 GaN 具有六次旋轉對稱性，是由六角單胞構成，因而具有兩個晶格常數(a 和 c)。對于一個 GaN 的單胞是由兩套套構沿著[0001]方向移動 3/8c 距離形成的。此種情況下的 GaN 對稱點群是六方纖鋅礦結構，其空間群為P63mc，其晶格常數是 a=0.3189 nm，c=0.5185 nm [20-21]。對于這種結構的 GaN 晶格排布是：….GaANAGaBNBGaANAGaBNB…...。六方纖鋅礦結構 GaN 在[0001]、[11-20]和[1-100]方向的晶體結構如圖 1-2 所示。這種結構是 GaN 最穩(wěn)定的結構 [18-19]。有關六方纖鋅礦結構 GaN 以及 AlN 的物理參數如表 1-1 所示。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN304.26


本文編號：2534488