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1、第20卷第2期 半 导 体 学 报 Vol.20,No.21999年2月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSFeb.,19993硅基GaN薄膜的外延生长张昊翔 叶志镇 卢焕明 赵炳辉 阙端麟(浙江大学硅材料国家重点实验室 杭州 310027)摘要 本文报道采用简便的真空反应法在Si(111)衬底上生长出了六方结构的GaN单晶薄膜,并对GaN薄膜的表面形貌、结晶学性质和光学特性作了研究.SEM表明外延层表面光亮平整,无裂纹出现,XRD图谱上有一GaN(0002)衍射峰,其
2、半高宽为015°,室温下的光致发光谱在373nm处有一个很强的发光峰,其半高宽为8nm(3517meV).PACC:6865,6855,78651 引言GaN是一种直接带隙半导体,室温下禁带宽度为3139eV,在制备蓝紫光光电子器件如[1][2]光发射二极管、激光器,探测器件以及大功率高速微电子器件方面有很好的应用前景.由于GaN大尺寸体单晶生长极为困难,因此在异质衬底上外延GaN就成为研究GaN材料和器件的主要手段.利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等技术已经在A2Al2O3衬底、SiC衬底上制备出较好
3、质量的GaN外延层,研制出GaN基蓝色发光二[3][4]极管及激光器.虽然GaN基蓝光二极管及激光器已经开始商品化,但限制GaN薄膜材料及器件广泛应用的仍然是衬底问题:(1)A2Al2O3衬底不导电,器件电极不容易制作;(2)SiC衬底虽然导电,但其尺寸较小、价格昂贵.为了制备大面积的GaN薄膜,硅片被认为是制备GaN的较为理想的衬底,因为它具有质量高,尺寸大,成本低等许多优点.如果氮化镓能外延在硅衬底上,极有可能将氮化镓基的器件集成到硅基大规模集成电路之中.硅衬底与GaN(纤锌矿结构)的匹配存在着以下问题,(1)具有较大的晶格失配
4、(37177%);(2)具有较大的热膨胀[5,6]系数的失配(41116%).在氮化镓研究的早期,硅上获得的氮化镓薄膜是非晶或多晶,且[7]很容易开裂.Lei等人采用分子束外延技术在Si(100)衬底上获得了单晶氮化镓薄膜.本文我们采用真空反应法,尝试在硅基上生长氮化镓外延层薄膜并获得成功.比起MOCVD、MBE等方法,本实验方法具有简便易行、成本低等特点.目前,我们对硅片上生长的GaN外延薄膜的性能进行了一些测试,并对它的生长机制和发光机理进行了初步探讨,3本课题受到国家教委“跨世纪优秀人才”基金及国家自然科学基金重大项目资助张昊
5、翔 男,1974年出生,博士生,从事半导体薄膜研究叶志镇 男,1955年出生,教授,博士生导师,从事半导体薄膜及UHVöCVD硅低温外延、锗硅超晶格研究1998205216收到,1998209217定稿©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.144 半 导 体 学 报 20卷有关深入研究正在进行中.2 实验-5GaN薄膜的外延生长是在真空反应炉里进行的.生长系统背景真空度优于1×10Pa.它与GS2MBE的最大不同之处在
6、于Ga源的蒸发是在生长室内进行的,蒸发出的Ga分子在到达衬底表面的过程中不断地补充能量来满足克服Ga与NH3反应势垒所需的活化能.实验采用晶向为〈111〉的Si片做衬底.固态金属镓作Ga源,氨气和氮气作氮源,其纯度均为5N.具体实验过程如下:硅片采用传统的RCA清洗方法,清洗完毕后,立即放入生长室,开始抽真空,当达到背景真空度后,升温至950℃通入NH3进行原位清洗20分钟,然后开始外延生长,生长温度控制在900～1100℃之间.改变实验条件,生长速度可以在每小时014Lm到2Lm之间变化.样品制备好后,利用扫描电镜观察GaN薄膜的
7、表面形态,X射线双晶衍射对其晶体学性质进行测试,采用HITACH2850型荧光光谱仪对GaN外延层进行了的室温下的光致发光谱测试.仪器采用150W的氙灯发射波长可连续变化的光经光栅分光后作为激发光源.样品测试采用的激发光波长为288nm.3 实验结果及讨论生长出的GaN薄膜表面光亮平整,用SEM观察其表面,发现平整光滑,无裂纹出现,如图1所示.图2为在Si(111)衬底上生长215Lm厚的GaN薄膜的X射线衍射谱.在2H=3519°处出现的强衍射峰为GaN(0002)晶面的衍射峰,通过比较可以看出GaN(0002)衍射峰比Si(11
8、1)衍射峰窄很多.同时还可以确定生长出的GaN薄膜为纤锌矿结构.在所做的XRD测试分析中,在950～1100℃生长条件下,得到的GaN薄膜的XRD衍射峰在图谱上均处于同一位置.用X射线衍射仪对GaN(0002)衍射峰进行回摆曲线的测试
