毕业论文-gan衬底材料相关技术研究

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1、摘要以GaN为代表的III-V族宽禁带半导体材料由于其优良的物理和化学特性成为当前半导体领域内的研宄热点。虽然GaN性质优异，但一直饱受缺少相匹配的衬底材料以及位错密度大等问题的制约。0前，主要冇三种研究方向来制备GaN衬底材料：GaN体单晶制备方法，异质外延技术，使用HVPE等方法生讼GaN厚膜并剥离制备衬底。HVPE生长技术由于具有生长速度快（最高生长速度可以达到300um/h）和生长均匀等特点，可以较容易的获得大面的GaN厚膜。此外，HVPE技术还具有设备简单、成本低等特点，所以HVPE己经成为制备GaN衬底材料的主流技术。木文围

2、绕获得大尺、j*高质量GaN衬底材料的目标进行了相关技术研宄。首先研宄了n型GaN电化学腐蚀在不同硅掺杂浓度、不同外加偏压下的选择性腐蚀特性以及使用紫外光辅助电化学腐蚀对上述结果的影响。在此基础上，研究如何利用电化学腐蚀和光助电化学腐蚀制备多孔GaN结构并利用该结构再外延生长GaN薄膜，以进行GaN自支撑衬底分离的相关研究。另外借鉴前期卧式HVPE系统的研究结果和经验，设计并研制完成了用于大尺、？GaN衬底材料生长的立式HVPE系统，并进行了HVPE生长系统优化。最后，研究摸索了改善化学机械抛光工艺得到表面精度高、平整度高的GaN和蓝宝

3、石晶片表面等的工艺方法。主要的研宂N容和结论如十*:1.研究了n型GaN电化学腐蚀的选择性腐蚀规律。研究发现对相同硅掺杂浓度的n型GaN,在一定的外加偏压条件下会出现均匀的孔洞结构；随着外加偏压的升高，孔尺寸增大，孔密度增加。当电压过大时，会出现过腐蚀，孔状结构消失。研究还发现在相同外加偏压条件下，n型GaN硅掺杂浓度的变化会形成具有不同孔洞率和孔密度等的结构。随着掺杂浓度的增加，孔洞率和孔密度都会增加。2.研宄了GaN材料的光助电化学腐蚀。研究发现紫外光可以在相同条件加剧n型GaN的电化学腐蚀。当从样品竹面照射紫外光线时，光助电化学腐

4、蚀还会对蓝宝石与UIDGaN层界面处未掺杂的GaN进行腐蚀，形成大面积的孔洞结构。这有利于我们发展GaN/蓝宝石自剥离技术。1.利用上述电化学和光助电化学腐蚀的特性，对掺杂浓度不同的双层Si掺杂GaN样品进行电化学腐蚀和光助电化学腐蚀，得到了多种形貌的多孔状GaN模板。研宄发现，多孔状模板PL本征峰发光强度增加，黄光带的发光强度也相应增加。对腐蚀前后的样品进行拉曼图谱测试研究了样品的结构和应力情况，发现样品的匕峰位相对红移了1.5cm'表明化学腐蚀释放了部分压应力。经过计算可知释放的应力人小为0.12GPa。腐蚀前后的X射线摇摆曲线的半

5、高宽没有明显变化，说明腐蚀不会对样品晶体质量产生明显影响。2.利用上面制备的多种形貌的多孔状GaN模板，使用MOCVD在这些模板上外延生长了5um厚的GaN外延薄膜。由于外延生长下的高温条件以及表面能最小化的驱动使得腐蚀完的样品在外延生长过程中形态发生了明显变化。原来的树枝状的孔洞结构相互融合形成大的洞穴结构，部分样品比如双层样品以及加了光电化学腐蚀的样品出现了中空结构。最终使用外力部分剥离上层的GaN外延层。我们相信使用该方法可以使用HVPE进一步的外延生长GaN厚膜可以获得大尺寸的自剥离GaN衬底。3.研宂了改善化学机械抛光得到高表

6、而精度、高平整度的GaN和蓝宝石晶片表面等的工艺方法。研究丫机械减薄、抛光工艺屮，样品的厚度均匀性的变化情况。为了减小自支撑GaN衬底材料在整个化学机械抛光过程中厚度的非均匀性，设计发展了利用蓝宝石作为辅片的方法，利用蓝宝石厚度均匀的特性改善了GaN衬底样品厚度不均匀造成的抛光过程中的取向偏差。在上述化学机械抛光的研宂基础上，对HVPE生长的GaN厚膜进行了化学机械抛光。抛光后的样品表面没有明显的划痕和划伤等缺陷，样品整体晶体表面质量较好。表面粗糙度均在在合理的范围之内，能够满足材料生长和器件制备的要求。4.研究了具有多片立式HVPE生

7、长系统进行HVPE-GaN模板生长的工艺。并研宂了多片样品同时生长的均匀性。厚度测试结果表明，采用3片/6片生长，厚度不均匀性均低于5%。厚度为20um时，片间厚度偏差约为4%;厚度为35um吋，片间厚度偏差约为4.29%。证明该多片HVPE设备具有较好的气流分布，生长的GaN样品厚度均匀。目录第一章绪论错误!未定义书签。引言错误!未定义书签。GaN衬底材料与器件的应用前景错误!未定义书签。GaN衬底材料制备方法错误!未定义书签。1.3.1GaN体单晶制备方法错误!未定义书签。1.3.2GaN辦膜异质外延方法错误!未定义书签。1.3.3

8、HVPE制备GaN厚膜衬底错误!未定义书签。采用HVPE生长自支撑GaN衬底错误!未定义书签。测试表征方法错误!未定义书签。1.5.1扫描电子显微镜（SEM）错误!未定义书签。1.5.2光致发光谱（PL）错