本文關(guān)鍵詞：基于MOCVD方法的N面GaN材料生長及特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：由于具有禁帶寬度大、直接帶隙、電子速率快、擊穿場強高等優(yōu)點,基于GaN基半導(dǎo)體材料的光電器件和微波器件已經(jīng)在照明與顯示、通信與雷達(dá)等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。目前常規(guī)的GaN器件大都是基于Ga面GaN材料制備的,這是因為無論MOCVD還是MBE生長,Ga極性GaN材料更易可控生長,而且結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌等更為優(yōu)越。但是,從材料性質(zhì)來講,與Ga極性面相比,N極性面GaN材料具有更為活躍的表面性質(zhì)、與Ga面相反的極化方向、易形成更低電阻的歐姆接觸等優(yōu)勢,在制備高性能的光電器件、探測器以及微波功率器件方面具備很大的潛力。本文基于MOCVD生長工藝,對不同襯底上N面GaN材料的生長機理、缺陷控制方法以及性質(zhì)表征等進行了系統(tǒng)的研究。主要的研究工作和成果如下：(1)在C面藍(lán)寶石襯底上,利用MOCVD工藝,通過采用襯底表面的深度氮化結(jié)合高Ⅴ/Ⅲ比的高溫AlN成核層等方法,顯著改變了生長初期襯底表面附近的化學(xué)勢,成功生長出N面GaN材料,并基于化學(xué)腐蝕法證實了N面極性。AFM測試結(jié)果顯示表面RMS粗糙度為3.31 nm,XRD測試結(jié)果顯示螺位錯密度為2.3×109cm-2,刃位錯密度為5.3×109cm-2。(2)采用小角度斜切的C面藍(lán)寶石襯底進行了N面GaN生長研究,首次發(fā)現(xiàn)了一種新的位錯湮滅機制,即采用斜切襯底形成的GaN層錯可以有效地抑制位錯的延伸。通過充分利用該機制,結(jié)合生長工藝的優(yōu)化,成功獲得了具有高結(jié)晶質(zhì)量、優(yōu)良表面形貌和光學(xué)性質(zhì)的N面GaN材料。通過斜切襯底與常規(guī)襯底(未斜切)上N面GaN外延材料的比較表明,(002)面搖擺曲線的半高寬由常規(guī)襯底的793 arcsec降低至斜切襯底的630 arcsec,(102)面搖擺曲線的半高寬由743 arcsec降低至626 arcsec,位錯密度由2.2×109cm-2降低至1.2×109cm-2。所有測試結(jié)果均表明斜切襯底上生長的N面GaN表面具有更高的質(zhì)量。通過TEM測試發(fā)現(xiàn),斜切襯底N面GaN外延層中靠近成核層位置處出現(xiàn)層錯阻擋位錯向上延伸的現(xiàn)象,這是斜切襯底改善GaN結(jié)晶質(zhì)量的主要原因。(3)深入研究了N面GaN材料中的C雜質(zhì)結(jié)合問題,創(chuàng)新地提出了在N面GaN材料表面C雜質(zhì)結(jié)合的化學(xué)模型,通過XPS測試證實了C-Ga化學(xué)鍵的存在,驗證了所提模型的正確性,并揭示了N面GaN中表面形貌與C雜質(zhì)結(jié)合的關(guān)聯(lián)性,表面形貌越好,C雜質(zhì)結(jié)合濃度越低,C雜質(zhì)對應(yīng)的黃帶發(fā)光會大大抑制。通過對不同形貌N面GaN材料PL譜測試結(jié)果的比較,常規(guī)襯底上得到了N面GaN材料由于形貌較差,帶邊峰與黃帶發(fā)光強度比IBEe/IYL為0.65,而斜切襯底上得到的N面GaN材料形貌好,IBE/IYL高達(dá)14.3,充分驗證了C雜質(zhì)結(jié)合模型的正確性。(4)提出了在SiC襯底通過控制高溫A1N成核層生長的Ⅴ/Ⅲ比來改變GaN材料表面極性的方法,實驗證實,當(dāng)采用具有極高Ⅴ/Ⅲ比生長的高溫A1N成核層時,能夠有效控制生長表面的化學(xué)勢,成功獲得N面GaN材料。生長研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)高溫A1N成核層Ⅴ/Ⅲ比從901提高至27026時,GaN外延材料的極性成功由Ga面轉(zhuǎn)化為N面,樣品表面RMS粗糙度從Ga面的0.96 nm變?yōu)镹面的6.14nm,Peak-Valley起伏值由Ga面的6.4 nm變?yōu)镹面的54nm,方塊電阻由Ga面的高阻狀態(tài)變?yōu)镹面的低阻狀態(tài),表明Ga面和N面極性GaN材料存在顯著的差異。(5)實驗研究N面GaN樣品中的O雜質(zhì)含量與樣品的生長溫度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了生長溫度越低,O雜質(zhì)結(jié)合率越高,并對其來源進行了解釋。實驗發(fā)現(xiàn),GaN材料中O雜質(zhì)的含量從生長溫度為1050℃時的3.04×1018 cm-3升高至900℃時的3.15×1019cm-3。分析表明,N面GaN材料內(nèi)部O雜質(zhì)是由表面吸附O雜質(zhì)而形成的,而不是由外延層內(nèi)部向上擴散形成的。(6)基于第一性原理計算,系統(tǒng)研究了O雜質(zhì)在Ga面和N面GaN材料中不同的結(jié)合特性,發(fā)現(xiàn)在不同極性面GaN中,O雜質(zhì)的結(jié)合位置不同,而且隨著O原子吸附濃度的變化,其表面吸附能也存在不同的變化規(guī)律。計算結(jié)果顯示,對于Ga面GaN,O原子傾向于吸附在fcc位置；而對于N面GaN,O原子傾向于吸附在hcp位置。當(dāng)O原子在GaN材料表面的覆蓋率從0.25 ML不斷升高至0.75 ML時,O原子在Ga面GaN的fcc位置的吸附能從-4.53 eV升高至-2.86 eV,而在N面GaN的hcp位置的吸附能從-3.35 eV降低至-3.86 eV。O原子在Ga面和N面GaN表面吸附能的完全相反的變化趨勢表明N面GaN表面傾向于吸附更多的O原子。
【關(guān)鍵詞】：N面GaN 斜切襯底 SiC襯底 雜質(zhì)結(jié)合
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN304
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 符號對照表14-15
• 縮略語對照表15-20
• 第一章 緒論20-36
• 1.1 N面GaN材料及器件的研究意義20-25
• 1.1.1 N面GaN材料的特性20-21
• 1.1.2 N面GaN基HEMT器件的優(yōu)勢21-25
• 1.2 N面GaN材料與器件的研究發(fā)展現(xiàn)狀25-31
• 1.2.1 N面GaN材料25-26
• 1.2.2 N面LED26-27
• 1.2.3 N面?zhèn)鞲衅?/span>27-28
• 1.2.4 N面HEMT28-31
• 1.3 N面GaN材料及器件存在的問題31-32
• 1.4 本論文主要研究內(nèi)容32-36
• 第二章 GaN基材料的外延生長及表征36-42
• 2.1 GaN基材料的MOCVD外延生長36-39
• 2.1.1 MOCVD方法的生長機理36-38
• 2.1.2 MOCVD設(shè)備38-39
• 2.2 GaN基材料的表征39-42
• 2.2.1 原子力顯微鏡(AFM)39-41
• 2.2.2 二次離子質(zhì)譜(SIMS)41-42
• 第三章 藍(lán)寶石襯底上的N面GaN材料的生長及表征42-60
• 3.1 常規(guī)Ga面GaN材料的MOCVD法的生長及表征42-48
• 3.1.1 基于HT-AlN成核層的Ga面GaN材料的生長及表征42-44
• 3.1.2 基于LT+HT-AlN成核層的Ga面GaN材料的生長及表征44-48
• 3.2 N面GaN材料的生長及表征48-58
• 3.2.1 N面GaN材料的生長方法48-49
• 3.2.2 N面GaN材料的表征分析49-55
• 3.2.3 N面GaN材料的極性驗證55-57
• 3.2.4 N面GaN材料的MOCVD生長機理討論57-58
• 3.3 本章小結(jié)58-60
• 第四章 斜切藍(lán)寶石襯底對N面GaN材料性能的影響60-74
• 4.1 實驗方案設(shè)計60-62
• 4.2 實驗測試結(jié)果62-67
• 4.2.1 SEM測試結(jié)果62
• 4.2.2 TEM測試結(jié)果62-64
• 4.2.3 CL測試結(jié)果64-66
• 4.2.4 Hall測試結(jié)果66
• 4.2.5 PL測試結(jié)果66-67
• 4.3 實驗結(jié)果分析67-71
• 4.3.1 表面形貌的差異67-68
• 4.3.2 層錯出現(xiàn)的原因68-69
• 4.3.3 光學(xué)特性的差異69-71
• 4.4 本章小結(jié)71-74
• 第五章 SiC襯底上N面GaN材料的制備74-86
• 5.1 SiC襯底的極性及對GaN材料極性的影響74-76
• 5.1.1 SiC襯底的極性74-75
• 5.1.2 SiC襯底的極性對GaN材料的影響75-76
• 5.2 SiC襯底上N面GaN材料的生長76-77
• 5.3 SiC襯底上N面GaN材料的表征分析77-83
• 5.3.1 AFM測試結(jié)果78-79
• 5.3.2 XRD測試結(jié)果79
• 5.3.3 電學(xué)特性測試結(jié)果79-80
• 5.3.4 SIMS測試結(jié)果80-81
• 5.3.5 光學(xué)特性測試結(jié)果81-82
• 5.3.6 腐蝕法驗證樣品極性82-83
• 5.3.7 機理討論83
• 5.4 本章小結(jié)83-86
• 第六章 N面GaN材料中的O雜質(zhì)86-106
• 6.1 N面GaN材料中O雜質(zhì)的實驗研究86-92
• 6.1.1 實驗方案設(shè)計86-87
• 6.1.2 實驗測試結(jié)果及分析87-92
• 6.2 N面GaN材料中O雜質(zhì)的理論分析92-104
• 6.2.1 密度泛函理論(DFT)92-94
• 6.2.2 VASP軟件94-95
• 6.2.3 理論計算的條件設(shè)置95-97
• 6.2.4 理論計算的結(jié)果97-103
• 6.2.5 理論及實驗的結(jié)果討論103-104
• 6.3 本章小結(jié)104-106
• 第七章 結(jié)束語106-110
• 7.1 本文的主要結(jié)論106-107
• 7.2 未來的工作107-110
• 參考文獻(xiàn)110-120
• 致謝120-122
• 作者簡介122-123

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