HVPE生長自支撐GaN單晶及其性質研究.pdf

1、GaN是一種非常重要的直接帶隙寬禁帶半導體材料，被廣泛應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基器件都是在異質襯底上制備的，而二者之間存在的晶格失配和熱失配導致GaN外延層中的位錯密度較高，這大大降低了GaN基器件的性能和使用壽命，因此亟需高質量的GaN單晶襯底來解決這一問題。氫化物氣相外延(Hydride Vapor PhaseEpitaxy，HVPE)法是一種極具前景的生長GaN單晶的方法，但是H

2、VPE法生長GaN單晶主要在異質襯底上進行，因此GaN與異質襯底之間的分離成為獲得GaN單晶襯底的一個重大挑戰(zhàn)。目前使GaN與異質襯底分離最常用的方法是機械研磨和激光剝離，另外還可以通過在襯底上做結構，使GaN在生長結束后從異質襯底上自剝離，但是這些方法一般都比較復雜，而且會增加成本。
　　本論文的研究工作主要是優(yōu)化HVPE生長GaN晶體的工藝，并采用低溫緩沖層技術，分別在藍寶石襯底和SiC襯底上生長自支撐GaN單晶。論文主要研究

3、工作如下:
　　1.研究了Ⅴ/Ⅲ對GaN晶體質量和光電性質的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Ⅴ/Ⅲ的增加，GaN單晶中的位錯密度降低、殘余應力增加、載流子濃度降低、電子遷移率升高、光學性能變好。當Ⅴ/Ⅲ從10增加到50時，GaN單晶中的位錯密度降低了近一個數(shù)量級，殘余應力升高了3倍，這主要是由于隨著Ⅴ/Ⅲ的增加，Ga原子的平均擴散距離增加，生長模式從3D模式向2D模式轉換，從而使位錯密度降低，殘余應力變大。對GaN單晶表面進行的EBSD分析發(fā)現(xiàn)隨著

4、Ⅴ/Ⅲ的增加，菊池衍射花樣質量變好，但是晶體取向偏離理想情況的角度變大。SIMS結果表明隨著Ⅴ/Ⅲ的增加，Si雜質濃度升高而O雜質濃度降低，C雜質濃度先降低后升高，H雜質濃度基本保持不變。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7.414×1017crm-3，電子遷移率從65cm2/V sec升高240cm2/V sec，并且PL光譜的帶邊發(fā)射峰增強，黃光帶減弱。
　　2.開發(fā)了

5、一種采用低溫緩沖層技術在藍寶石襯底上生長自支撐GaN單晶的方法，通過研究緩沖層的厚度和退火溫度對GaN晶體質量的影響，確定了最佳工藝條件，獲得了高質量的自支撐GaN單晶。當緩沖層厚度為800nm，退火溫度為1090℃時，得到的HT-GaN(high temperature GaN)晶體質量最好，對應的GaN(002)面和(102)面的半峰寬分別為250arcsec和215arcsec，HT-GaN殘余應力較小，并且其光學性質最好。對其表

6、面進行的EBSD分析發(fā)現(xiàn)， HT-GaN表面BS值相對較高，這也說明其內(nèi)部應力較小。在最佳工藝條件下進行HT-GaN的生長時，當晶體厚度超過300μm，GaN單晶就會從藍寶石襯底上自剝離。
　　3.采用低溫緩沖層技術在SiC的C面上直接生長自支撐GaN單晶，系統(tǒng)研究了不同緩沖層工藝和Ⅴ/Ⅲ對GaN晶體質量的影響，確定了最佳工藝條件，獲得了高質量的自支撐GaN單晶。在無緩沖層條件下進行HT-GaN的生長時，得到的HT-GaN為多晶且

7、不能與襯底分離;在沒有經(jīng)過退火的緩沖層上進行HT-GaN的生長時，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量和緩沖應力方面起了重要作用。通過對比不同緩沖層生長時間下和Ⅴ/Ⅲ下得到的HT-GaN的晶體質量，確定了當緩沖層生長時間為30min、Ⅴ/Ⅲ為90時得到的HT-GaN晶體質量最好，并且生長結束后，GaN單晶可以從SiC上自剝離，而SiC襯底沒有受到任何破壞，可以重復使用。在此生長條件下得到的自支撐G

8、aN單晶的(002)和(102)面的半峰寬分別為261 arcsec和272arcsec，單晶接近無應力狀態(tài)并且其光學性質良好。對自支撐GaN斷面進行EBSD掃描發(fā)現(xiàn)，隨著厚度的增加，自支撐GaN的晶體質量提高，應力減小。
　　4.根據(jù)位錯的應變能和退火坑形成自由能之間的關系，開發(fā)了一種新的表征GaN中位錯的方法—高溫退火法。由于位錯的應變能會降低退火坑形成的自由能，從而使退火坑在位錯處優(yōu)先形成，且由于混合位錯和螺位錯的應變能大于

9、刃位錯的應變能，使得混合位錯和螺位錯對應的退火坑尺寸大于刃位錯對應的退火坑尺寸，因此可以根據(jù)退火坑的差異對不同的位錯進行表征。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℃，退火時間為5min是表征位錯的最佳條件。AFM測試結果表明，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應的晶面相同，都是{20(2)3}面;將高溫退火法與 KOH-NaOH混合熔融液腐