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1、国产SiC衬底上利用AlN缓冲层生长高质量GaN外延薄膜第32卷第9期2011年9月发光CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEVo1.32SeptNo.9,2011文章编号:1000-7032(2011)09—0896-06国产SiC衬底上利用AIN缓冲层生长高质量GaN外延薄膜陈耀,王文新,黎艳,江洋,徐培强,马紫光,宋京,陈弘(1北京凝聚态物理国家实验室,中国科学院物理研究所清洁能源实验室,北京1001902.天津中环新光科技有限公司,天津300385)摘要:采用高温A1N作为缓冲层在国产SiC衬底上利用
2、金属有机物化学气相外延技术生长GaN外延薄膜.通过优化AIN缓冲层的生长参数得到了高质量的GaN外延薄膜,其对称(0002)面和非对称(1012)面X射线衍射摇摆曲线的半峰宽分别达到130arcsec和252aresec,这是目前报道的在国产SiC衬底上生长GaN最好的结果.文中研究了A1N缓冲层生长参数对GaN晶体质量的影响,还利用拉曼散射研究了GaN外延薄膜中的应力,发现具有越小x射线衍射摇摆曲线半峰宽的GaN外延薄膜受到的张应力也越小.关键词:GaN;A1N;SiC衬底;MOCVD;X射线衍射中图分类号:0472PACS
3、:81.05.EaPACC:8110B文献标识码:ADOI:10.3788/fgxb20113209.0896l引言Ⅲ族氮化物材料因其具有较宽能带带隙,高电子饱和漂移速度,耐高温,大功率容量等优良特性,被用来制作成各种各样的光电器件和大功率电子器件,在微电子和光电子领域扮演着极其重要的角色,是目前研究和开发的热点.由于缺乏天然的GaN体材料作为衬底,SiC和蓝宝石是目前外延材料所使用最多的两种衬底.SiC因其具有更小的晶格失配,更高的热导率,利于解理及能制作导电衬底等优良特性更适合作为衬底.然而,目前采用金属有机物化学气相外延
4、技术在SiC衬底上直接外延GaN材料主要存在如下几个技术难点:(1)GaN在SiC衬底表面成核困难.Ga原子与SiC衬底表面浸润性差,直接生长GaN材料速度慢,很难获得高质量GaN外延层.(2)热失配.6H—SiC的热膨胀系数(4.2×10K..)比GaN的热膨胀系数(5.59×10K)要小,在1000c【=左右生长薄膜的情况下,会造成外延薄膜中约0.1%的应变¨..于是,直接生长在6H—SiC(0001)面上的GaN薄膜在室温下具有张应力,张应力积累到一定程度会导致GaN表面出现裂纹.(3)晶格失配.SiC衬底与GaN之问存
5、在着约3.5%的晶格不匹配,对GaN外延膜的晶体质量也有影响.目前国际上通常采用高温A1N作为缓冲层来生长GaN,得到了较好的结果¨.'j.由于国产SiC衬底的晶体质量还不高,得到的GaN晶体质量也不高,所以目前有关在国产SiC衬底上生长GaN外延薄膜的报道较少.本文采用高温A1N缓冲层在国产的SiC衬底上生长GaN外延薄膜,通过优化A1N缓冲层的生长参数,得到了高质量的GaN外延薄膜,其x射线衍射摇摆曲线的半峰宽值接近了国际先进水平.同时还系统地研究了A1N缓冲层生长参数拘改变对GaN晶体质量以及应力的影响.2实验所采用的衬
6、底是无偏角5.08cm(2in)国产(0001)面6H—SiC,实验采用的外延设备足德国收稿日期:201I4)3438;修订日期:2011-04—26基金项目:国家自然科学基金(50872146,60877006,60890t92/b9404);科技部973(2010CB327501)资助项目作者简介:陈耀(1983一),男,江苏淮安人,在读博士研究生,主要从事GaN材料和器件的研究.E—mail:chenyaonjnu@l63coin,Tel:(0l0)82649321:通讯联系人;E—maiI:wxwang@aphy.ip
7、hy.ac.cn,Fel:(010)82649208第9期陈耀,等:国产SiC衬底上利用A1N缓冲层生长高质量GaN外延薄膜897AXTRON公司生产的2400HT(G3)型金属有机物气相外延设备.三甲基镓(TMGa),三甲基铝(TMA1)和氨气(NH)是Ga,Al和N的源.在开始生长之前,衬底在H气氛下加热到1100oC并保持10rain以清洁表面.接下来生长不同的A1N缓冲层,详细的生长参数见表1.然后,生长2m厚的非故意掺杂的半绝缘GaN外延层.生长样品A的A1N缓冲层时TMA1和NH的流量分别是52.32I~mol?r
8、ain和0.0357mol?min～.A1N缓冲层的厚度调节通过改变生长时间实现.为了研究不同的A1N缓冲层生长参数对GaN材料晶体质量的影响,除了A1N缓冲层生长条件不同外,其他所有的生长条件均相同.GaN外延膜的生长温度为1050oC,V/Ⅲ为1350,生长速度大约为0.
