外延氮化镓薄膜用硅纳米图形衬底的制备及评价研究.pdf

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1、博士学位论文外延氮化镓薄膜用硅纳米图形衬底的制备及评价研究THERESEARCHONPREPARATIONANDEVALUATIONOFNANOPATTERNEDSILICONSUBSTRATESFORGALLIUMNITRIDEEPITAXIALFILMS田吉利哈尔滨工业大学2018年3月国内图书分类号：TN304.2学校代码：10213国际图书分类号：538.9密级：公开工学博士学位论文外延氮化镓薄膜用硅纳米图形衬底的制备及评价研究博士研究生：田吉利导师：张化宇教授副导师：汪桂根副教授申请学位：工学博士学科：材料科学与工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔

2、滨工业大学ClassifiedIndex:TN304.2U.D.C:538.9DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHERESEARCHONPREPARATIONANDEVALUATIONOFNANOPATTERNEDSILICONSUBSTRATESFORGALLIUMNITRIDEEPITAXIALFILMSCandidate：JiliTianSupervisor：Prof.HuayuZhangAssociateSupervisor：Assoc.Prof.GuiGenWangAcademicDegreeAppliedfor：Doct

3、orofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceandEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要氮化镓（GaN）作为典型的第三代宽禁带半导体材料，在光电子器件和电子器件领域具有广泛的应用前景。相比于常用的氮化镓外延用蓝宝石和碳化硅（SiC）衬底，硅衬底更容易实现大尺寸，且具有低成本和良好的导热性与导电性等诸多优势。但由于其与氮化镓薄膜之间存

4、在着较大的晶格失配和热失配，导致难以在硅衬底上原位外延出高质量GaN薄膜。硅图形衬底，是指在硅衬底表面制备具有周期性的图案结构，有望解决这一难题。然而传统制备硅图形衬底的光刻技术成本高昂并且成品率低，大面积的制备较为困难，尤其当图形特征尺寸降低到100nm以下，这个问题尤为突出。基于此，本论文提出一种以多孔阳极氧化铝（AAO）为掩膜，进行干法刻蚀制备硅纳米图形（NPSi）衬底的一种简易方法，并将其应用于外延GaN薄膜质量的评价，以实现低成本、高效率、大面积的硅纳米图形衬底的制备。主要研究内容有：首先利用硅衬底上磁控溅射Al薄膜的直接阳极氧化得到硅衬底AAO掩膜；接着采用感应耦合等离子体（I

5、CP）刻蚀制备硅纳米图形衬底；然后利用原子层沉积（ALD）方法在硅纳米图形衬底上生长三维形貌的ZnO缓冲层；最后，采用脉冲激光沉积（PLD）的方法外延GaN薄膜。论文主要得到了如下结果：研究了硅衬底上Al薄膜的表面粗糙度随磁控溅射参数的变化规律，解决了Si衬底上溅射Al膜的直接阳极氧化的难点，并实现了硅衬底上AAO掩膜的可控制备。硅衬底Al薄膜的表面粗糙度，随溅射功率、溅射气压以及衬底温度的增加而增加。当直流溅射功率为60W、工作气压为0.2Pa、基片温度为70℃时，可制备出表面粗糙度Ra仅为1.99nm的600nm厚金属Al薄膜；采用自组装的阳极氧化装置，可有效避免实验中硅衬底的后续氧化

6、问题；改变扩孔时间，可以有效调控AAO掩膜的孔径大小，改变第一次阳极氧化的时间，可以有效地调控AAO掩膜的厚度。研究了ICP刻蚀参数对硅纳米图形衬底形貌的影响规律。以BCl3/Cl2/Ar混合气体为刻蚀体系，采用两步刻蚀法，可以实现纳米图形结构从超薄AAO掩膜到硅衬底表面的图形转移；刻蚀参数的变化会改变ICP刻蚀过程中各向同性化学刻蚀和各向异性物理刻蚀的作用比例，从而影响硅的刻蚀速率和刻蚀形貌；当Cl2组分浓度为60%、一步刻蚀时间为10s、ICP功率为900W、RF功率为100W、工作气压为7mTorr时，可以实现孔径为65nm、孔壁厚为40nm、孔深为330nm且高度有序排列的AAO多

7、孔阵列图形的高质量转移；此外，通过-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文改变AAO掩膜制备过程中的扩孔时间，可以制备出均一孔深而不同孔径的硅纳米图形衬底，通过改变第二步刻蚀时间，可制备出均一孔径而不同孔深的硅纳米图形衬底，且所制备的硅纳米图形衬底可以使入射光进行多次反射和折射，表现出优良的减反特性。分析了二维（2D）ALD-ZnO薄膜的最优退火参数以及退火后结构缺陷所导致的光致发光性质，并实现了硅纳米图形衬底上三维（3D）