文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
硅衬底上GaN外延层和AlGaN/GaN异质结的MOCVD生长研究
姓名:项若飞
申请学位级别:博士
专业:物理电子学
指导教师:郝跃;陈长清
2011-05-27
华中科技大学博士学位论文
摘要
随着商业化氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)、激光器(LD)和高电子迁移
率晶体管(HEMT)的相继推出,性能卓越的 GaN 基器件引起了广泛的关注。然而,
过高的成本和大功率器件的技术瓶颈阻碍了 GaN 基光电子器件的产业化进程。
由于 GaN 体材料的缺失,GaN 基光电子器件只能在异质衬底上生长。考虑到 Si
衬底的众多优点,采用 Si 作为衬底是降低 GaN 基光电子器件成本和开发新型大功率
器件的有效途径。然而,与蓝宝石衬底和碳化硅衬底相比,在 Si 衬底上生长高质量
的 GaN 基材料较为困难:首先,GaN 在高温下易同 Si 发生剧烈的合金反应从而腐蚀
衬底和外延层;其次,由于 GaN 与 Si 衬底大的晶格失配和热失配,GaN 外延材料存
在缺陷密度高、易龟裂等问题。针对上述问题,本文系统地探讨和研究了 Si 衬底上
GaN 外延层的 MOCVD 生长工艺,主要研究内容如下:
首先,研究了 Si 衬底的前期处理工艺对 GaN 外延层后续生长的影响,特别是对
高温预铺铝工艺和氮化铝(AlN)缓冲层的生长工艺进行了优化研究。结果表明:Si
衬底的清洗和高温烘焙工艺对衬底的表面形貌有显著的影响,并影响到随后 AlN 缓
冲层的生长;高温预铺铝的时间不仅会影响衬底表面氮化的抑制效果,而且影响后
续 AlN 缓冲层生长的均匀性;AlN 缓冲层生长参数的变化则直接影响到 Si 和 Ga 的
隔离效果和 GaN 外延层的生长质量,因而其优化的意义重大。
其次,研究了三类应变缓冲层的设计与优化,探讨了它们对 GaN 外延层张应力
和穿透位错消除作用的影响。为了有效地消除 GaN 外延层中的张应力,采用低温氮
化铝(LT-AlN)成核层和若干 LT-AlN 插入层的应变缓冲层设计技术,通过对插入层
的层数、厚度和生长温度的优化,实现了厚度超过 µm 无裂纹的外延层生长,但
外延层晶体质量还有待提高;采用较厚的高温(HT)AlN 缓冲层结合组分连续渐变
的 AlxGa1-xN 插入层的设计,通过对 HT-AlN/Si(111)模板的优化(例如 AlN 厚度和生
长 V/III 比),及对 AlxGa1-xN 插入层的组分渐变方式(线性和非线性)、渐变速率(生
长速率)和厚度的优化,发现生长较薄的、非线性的 AlxGa1-xN 组分连续渐变层就可
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以有效地消除张应力和位错密度,生长出超过 µm 无裂纹、高质量的 GaN 外延层;
尝试了几种含超晶格结构的应变缓冲层设计,方案新颖独特,但是在实验中,因无
法保证超晶格的界面陡峭性,未显示出它在消除应力和位错上的作用。
最后,在获得高质量 GaN 外延层的基础上,生长出 AlGaN/GaN 异质结,并考
察了 AlGaN 垒层厚度、异质界面粗糙度等因素对异质结二维电子气(面密度和迁移
率)的影响。
关键词:氮化镓硅衬底金属有机物化学气相沉积外延生长缓冲层异质结
II
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Abstract
mercial GaN-based light emitting devices (LEDs), laser diodes (LDs) and
high electron mobility transistors (HEMTs) had been launched, excellent GaN-based
devices are attracting more attention worldwide. However, ercializaiton of
GaN-based optoelectronic devices is hampered by high cost for production and various
bottlenecks in developing high power devices.
Due to lack of bulk materials, GaN-based devices are only grown on foreign
substates. Thanks to its merits, silicon (Si) is considered as a potential substrate for
heteroep