低位错密度的GaN外延薄膜生长研究

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1、西安电子科技大学硕士学位论文低位错密度的GaN外延薄膜生长研究作者：欧新秀导师：张进成教授学科：微电子学与固体电子学中国西安2011年1月StudyongrowthofGaNfilmswithlowdidensityADissertationSubmittedtoXidianUniveinCandidacyfortheDegreeofMasterinMicroandSolid．StateElectronicsByonXinxiuXi’an，P．R．ChinaJanuary2011II．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

2、．．．．．创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：丛堑盘日期关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发

3、表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。日期摘要随着社会的发展，科技的进步，半导体材料在现代科技革命中扮演着极其重要的角色。作为第三代半导体材料的代表，氮化镓(GaN)和其它氮化物材料是近年来光电子材料领域和高温大功率器件方面的研究热点之一。GaN基半导体材料具有禁带宽度大、电子漂移速度快、导热性好和耐高温高压等突出优点，在制作大功率、高频和高温电子器件以及光电器

4、件方面具备得天独厚的优势。目前，GaN材料主要是采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在SiC、蓝宝石、Si和GaAs等衬底上异质外延获得。由于GaN材料与衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，所以异质外延得到的GaN薄膜往往具有很高的位错密度，这些位错极大地限制了GaN基器件的性能和可靠性。因此，低位错密度GaN材料外延生长研究一直是GaN研究领域中的关键课题，也是目前GaN领域的主要研究方向之一。本文系统地研究了斜切蓝宝石衬底上GaN外延薄膜的表面形貌、结晶质量及应变情况，通过采用不同斜切方向和斜切角度的衬底，有效地改善了GaN外延薄膜的质量，并对相关实验现象作出了合理的解释

5、，对斜切衬底诱导GaN中位错湮灭的机理进行了深入的研究，为更好的把斜切衬底应用于高质量GaN外延生长中打下了坚实的基础；另外，我们采用多种生长技术包括：斜切衬底上HVPE外延、不同基片表面处理及TiN掩膜层等多种方法，有效地降低了GaN外延薄膜的位错密度，提高其材料质量，并对相关的机理进行了深入的研究，为低位错密度GaN外延生长提供了新的思路。本文的主要工作和研究成果如下：l、对比研究了C偏m面和c偏a面斜切衬底上GaN外延薄膜结晶质量、表面形貌和内部应力情况，并对相关实验现象作出了合理的解释。研究表明，斜切衬底可以有效地诱导GaN中位错的湮灭；C偏m面斜切衬底更有利于GaN生长表面

6、微台阶的合并及应力的释放，因此，C偏朋面斜切衬底上GaN具备更高的结晶质量。2、研究发现在小角度范围内，斜切角度的大小对GaN结晶质量、表面形貌和应力有很大的影响，随着斜切角度的增大，GaN的结晶质量逐渐提高，表面微台阶宽度增大，内部应力减小。这说明了较大的斜切角度有利于台阶间的相互合并，促进位错的倾斜弯曲。另外，在斜切衬底上GaN的形貌研究中，发现了表面较大的台阶凸起，并且不同斜切方向衬底上GaN的台阶方向不一，我们分别对这些现象作了合理的解释，并对相应的机理作了深入研究。3、采用TEM深入地研究了斜切衬底诱导GaN中位错湮灭的机理，研究发现，斜切衬底上GaN中位错扎堆出现，在局部

7、区域位错大量湮灭，并且在不同厚2低位错密度的GaN外延薄膜生长研究度处出现位错集中湮灭的区域，实验中观察到两个位错集中湮灭的区域。4、在C偏m面的斜切衬底上利用HVPE方法外延生长厚膜GaN外延层，与常规衬底上HVPE外延GaN薄膜相比，斜切衬底上HVPE外延GaN中位错密度降低得更加显著，我们认为这是因为：一方面斜切衬底促使GaN表面台阶合并使位错线发生弯曲，GaN基板中的位错大部分被湮灭而不能延伸到顶层材料；另一方面GaN中出现了几个位错集中湮灭的区域