GaN基Ⅲ族氮化物外延生長及相關器件的研究.pdf

1、自2000年以來，以氮化銦(InN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)為主的Ⅲ族氮化物半導體異質結構及相關電子器件得到了快速發(fā)展。這些Ⅲ族氮化物半導體材料因為所具備的突出的物理、化學性能而被普遍應用于光、聲、電等器件領域。
　　在Ⅲ族氮化物半導體光電器件中，GaN基發(fā)光二極管(LED)的廣泛應用，開創(chuàng)了半導體照明的新紀元。在電力電子器件方面，Ⅲ族氮化物半導體材料以強擊穿電場、高電子遷移速率及高飽和漂移速度等優(yōu)勢，使基于此材料體系

2、的電力電子器件各項參數(shù)性能優(yōu)異。在微波器件領域，GaN材料的高電子遷移率晶體管(HEMTs)已經(jīng)應用于雷達和民用通信。此外，AlN壓電單晶具有色散小、導熱性好、熱穩(wěn)定性高、熱膨脹系數(shù)低、抗酸堿腐蝕能力強和高頻段聲損耗低等優(yōu)點。尤其是在無機非鐵電的壓電體系中，AlN由于極高的聲表面波(SAWs)傳輸速率及較好的壓電性能，被廣泛用于高頻的SAWs器件和聲體波(BAWs)器件。
　　Ⅲ族氮化物沒有可用的體塊單晶襯底，GaN的單晶薄膜材料

3、只能在如碳化硅(SiC)、藍寶石(Al2O3)和硅(Si)等其他襯底上進行異質外延生長。SiC與GaN的晶格失配和熱失配度均比較小，在其上外延的GaN、AlN等單晶薄膜缺陷少、應力低。此外由于高熱導率、高擊穿強度等優(yōu)勢，SiC襯底在大功率LED、HEMTs等方面的應用上具有更大優(yōu)勢。使用SiC襯底的不利因素是襯底昂貴，導致器件制備成本過高。Si襯底的優(yōu)勢是生長及加工工藝成熟，且價格低廉，電導率和熱導率相對較高。在Si襯底上通過外延工藝生

4、長高質量的GaN等Ⅲ族氮化物更加困難，且對于LED而言，Si對光有較高的吸收系數(shù)。Al2O3相比SiC襯底而言，與GaN材料的晶格失配和熱失配均較大，但是通過生長壓力、溫度以及生長過程中載氣的選擇等條件的控制，可以生長出高結晶質量的GaN薄膜。透明度好、價格便宜的Al2O3材料是當前商業(yè)化GaN基LED最常用的襯底。
　　本論文通過Vecco和Aixtron公司生產(chǎn)的MOCVD系統(tǒng)，研究了在Al2O3和 SiC襯底上Ⅲ族氮化物材料

5、的外延生長機理。通過設計并優(yōu)化外延片多層結構，生長出高質量、高性能的Ⅲ族氮化物外延結構。對GaN基LED外延的生長工藝以及芯片的物理性質進行了研究。理論探索了HEMTs結構中2DEG與SAWs之間的相互耦合作用。
　　同時通過COMSOL有限元分柝手段對AlN基高頻段SAWs器件的特性做了細致的分析，并模擬出壓電材料體系的SAWs與聲子晶體(PnCs)相結合的帶隙可調的聲濾波器。
　　本論文的主要研究內容如下:
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6、、GaN基LED結構的外延工藝以及其芯片I-V特性的測量。
　　利用MOCVD方法在c軸取向的Al2O3襯底上外延了GaN基LED結構，分析了底層非摻雜的GaN層的厚度和n型層的生長速度與整片外延層表面內應力及波長均勻性之間的關系。采用拉曼(Raman)散射譜對外延層表面的應力進行了測量。研究發(fā)現(xiàn)，底層非摻GaN層厚度的減薄以及n型GaN層生長速率的降低，均導致Raman高階E2聲子模式峰位發(fā)生藍移，即外延層中的壓應力得到適當?shù)尼?/p>

7、放。利用光致發(fā)光(PL)光譜對LED外延片波長均勻性進行了表征。測試表明，LED結構的主波長、峰值波長以及色度的均勻性均隨著底層非摻GaN層厚度的減薄以及n型GaN層生長速率的降低變得越來越好，同時PL譜半峰寬進一步的變窄。即通過外延工藝的調整，Al2O3襯底上生長的GaN基LED結構不僅結晶質量得到提升，同時通過降低外延層面內應力，整個外延片發(fā)光波長的均勻性也進一步得到優(yōu)化。通過優(yōu)化外延生長工藝，生長出了應力小、波長均勻性佳的GaN基

8、LED外延結構。
　　傳統(tǒng)的MOCVD外延GaN基LED工藝生長時間長，致使成本居高不下。本文采用山東大學GaN課題組提供的Al2O3襯底上HVPE工藝生長的GaN薄膜作為LED外延的新型襯底(HVPE-GaN)，進行了GaN基LED外延結構的生長。利用顯微鏡、PL譜儀、電致發(fā)光(EL)光譜儀分別對新型襯底上外延的GaN基LED結構進行了表征。對相應LED芯片的光學和電學參數(shù)進行了測試與分析。利用新型HVPE-GaN襯底進行LED

9、外延時不再需要非摻GaN緩沖層，有效地降低了MOCVD的工作時間，縮減了GaN基LED制備的成本。
　　采用微納加工工藝將GaN基LED外延片制備成了LED芯片，通過對芯片的I-V特性的測試，研究并分析了外延LED結構中的低溫p型GaN層生長條件（生長溫度、In流量、Mg流量）與芯片性能之間的關系，并對芯片的靜電壓承受極限進行了測試，證明了所制備的LED芯片抗靜電能力可達4000V以上。同時，對部分損壞的LED芯片的失效機理做了進

10、一步的分析。
　　2、生長條件對HEMTs外延結構性能的影響，理論計算SAWs與2DEG之間的相互作用。
　　利用MOCVD工藝在Al2O3襯底上生長了AlGaN/GaN HEMTs結構，研究了生長壓力與載氣(H2和N2)對AlGaN勢壘層表面質量及AlGaN/GaN HEMTs溝道中2DEG遷移率的影響。采用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡-能級色散譜(SEM-EDS)表征了外延層的結晶質量。結果表明:隨著反應室壓力

11、從50torr提高到100torr，外延層表面生長臺階變得更加清晰、規(guī)整，且臺階變寬，高度變低;生長壓力進一步升高至200torr,表面形貌開始變差。同時發(fā)現(xiàn)在外延生長AlGaN勢壘層時，適量的通入H2會提高AlGaN層的結晶質量。純N2環(huán)境下生長的AlGaN勢壘層表面，生長臺階附近可見一些島狀結構。H2引入后島狀結構明顯變少，甚至消失。利用Hall效應測試儀測量了不同條件下AlGaN/GaNHEMTs溝道中的2DEG遷移率。在反應室壓

12、力100torr、H2流量占總載氣(H2+N2)流量59％時，2DEG的遷移率達到1545cm2/V·s。
　　通過構建模型與理論計算，研究分析了SAWs與2DEG之間的相互作用，通過調節(jié)AlGaN/GaN異質結中2DEG的載流子濃度，實現(xiàn)了對SAWs在該結構中傳輸能量的調控。
　　3、SiC襯底上GaN及AlN的外延生長
　　研究了在4H-SiC襯底上外延的不同厚度的GaN層內壓應力的變化，并對其結晶質量進行了評估。

13、系統(tǒng)地研究了在4H-SiC襯底上MOCVD技術外延GaN薄膜的二維生長的臨界厚度。通過控制GaN薄膜的生長時間得到高結晶質量、低表面粗糙度的GaN層。生長工藝優(yōu)化后，獲得了600nm厚無裂紋的GaN薄膜，高分辨X-射線衍射儀(HRXRD)測得其(002)面的搖擺曲線半峰寬(FWHM)最低為279.6arcsec。上述高質量GaN薄膜為異質外延提供了優(yōu)質的緩沖層。
　　在6H-SiC襯底上利用MOCVD技術外延生長了AlN單晶薄膜。

14、利用HRXRD及AFM等測試手段，對MOCVD和磁控濺射兩種工藝在相同晶型SiC襯底上生長的AlN薄膜進行了質量對比。HRXRD測試結果表明:MOCVD外延的AlN薄膜的(006)面衍射峰強度高于磁控濺射樣品的強度，說明MOCVD技術生長的AlN薄膜的c軸取向性更好，而磁控濺射生長的AlN的取向性相對較弱。在SiC上生長的AlN薄膜，晶格失配使其受到壓應力，熱失配則會使其受張應力的作用。兩種工藝生長的AlN薄膜，襯底峰位與薄膜實際峰間距

15、均比理論峰間距大，即AlN薄膜受到來自襯底的壓應力。這說明上述得到的兩種AlN薄膜所受到的應力均為晶格失配占主導。AFM測試發(fā)現(xiàn)，MOCVD和磁控濺射兩種工藝生長的AlN薄膜的表面粗糙度均方根分別為2.42nm和0.244nm。MOCVD工藝生長的AlN薄膜的表面呈小丘狀。而磁控濺射的AlN薄膜表面各小島間呈現(xiàn)逐漸合并的趨勢，且可見少許生長臺階。即磁控濺射的AlN要比MOCVD外延的AlN單晶薄膜表面更加平整。
　　4、基于AlN

16、/SiC的SAWs濾波器及SAWs-PnCs濾波器的模擬研究
　　在LiNbO3單晶基底上通過微納加工手段，制備了能夠激發(fā)SAWs的叉指換能器(IDTs)。通過網(wǎng)絡分析儀以及COMSOL有限元分析方法分別測試和模擬了SAWs的傳輸特性。并在AlN/6H-SiC壓電薄膜上模擬了SAWs的傳輸特性，對SAWs的傳輸模式進行了分析。
　　采用三維有限元分析(3D-FEM)方法，從理論上計算了壓電基底(LiNbO3，GaN and