与GaN晶格匹配的InAlN分子束外延生长及其性能北大核心CSCD

采用等离子体辅助的分子束外延(MBE)方法制备了InAlN外延薄膜,探讨了InAlN材料In原子数分数和生长条件的关系,以及等效束流强度(BEP)对材料质量的影响。绘制了InAlN关于温度与In和Al BEP的生长相图,经过优化后生长了与GaN晶格匹配的InAlN外延薄膜。使用高分辨率透射电子显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜和阴极荧光光谱(CL)对制备的InAlN材料进行了测试和表征。结果表明,InAlN/GaN异质界面清晰,In_(0.18)Al_(0.82)N外延材料(002)面X射线衍射峰半高宽为263 arcsec,表面粗糙度仅为0.23 nm,CL发光波长为283 nm,弯曲系数为5.2 e V,根据CL图像估算的材料位错密度约为2×108cm-2。     

MOCVD生长Mg掺杂GaN的退火研究

用MOCVD技术在50mm蓝宝石衬底(0001)面上生长了GaN∶Mg外延膜,对样品进行热退火处理并作了Hall、双晶X射线衍射(DCXRD)和室温光致发光谱(PL)测试.Hall测试结果表明,950℃退火后空穴浓度达到5×1017cm-3以上,电阻率降到2.5Ω·cm;(0002)面DCXRD测试发现样品退火前、后的半峰宽均约为4′;室温PL谱中发光峰位于2.85eV处,退火后峰的强度比退火前增强了8倍以上,表明样品中大量被H钝化的受主Mg原子在退火后被激活.     

晶格匹配InAlN/GaN HEMTs栅极电流击穿行为研究

相较于传统AlGaN/GaN HEMTs,采用晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN异质结可有效消除逆压电效应引发的器件可靠性问题,而且沟道二维电子气密度更高,更适合射频微波通信应用。然而,In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN HEMTs的外延片材料往往存在较高的位错密度,大幅度降低了器件的击穿场强。结合栅极偏压步进应力和微光显微技术,研究晶格匹配InAlN/GaN HEMTs的栅极电流击穿过程与机制,结果发现过激Fowler-Nordheim(FN)电流是器件击穿的主要原因。来自栅极的电子在高电场作用下发生FN隧穿成为高能热电子,它们会在异质结界面释放能量,导致该处形成大量新结构缺陷,同时InAlN材料本身固有可导缺陷密度相对较高,故当缺陷密度增加并达到某一临界值时,便会立刻发生瞬态静电释放,即电流热击穿。     

MOCVD生长P型GaN的掺Mg量的研究

使用 MOCVD技术在 Al2 O3衬底上生长了 Ga N∶ Mg薄膜 .通过对退火后样品的光电性能综合分析 ,研究了掺 Mg量对生长 P型 Ga N的影响 .结果表明 :要获得高空穴载流子浓度的 P型 Ga N,Mg的掺杂量必须控制好 .掺 Mg量较小时 ,Ga N∶ Mg单晶膜呈现 N型导电 ,得不到 P型层 ;掺 Mg量过大时 ,会形成与 Mg有关的深施主 ,由于深施主的补偿作用 ,得不到高空穴浓度的 P型 Ga N.生长 P型 Ga N的最佳 Cp2 Mg/TMGa之比在 1 /660— 1 /330之间     

MOCVD生长P型GaN的掺Mg量的研究

使用MOCVD技术在Al2O3衬底上生长了GaN：Mg薄膜.通过对退火后样品的光电性能综合分析,研究了掺Mg量对生长P型GaN的影响.结果表明：要获得高空穴载流子浓度的P型GaN,Mg的掺杂量必须控制好.掺Mg量较小时,GaN：Mg单晶膜呈现N型导电,得不到P型层;掺Mg量过大时,会形成与Mg有关的深施主,由于深施主的补偿作用,得不到高空穴浓度的P型GaN.生长P型GaN的最佳Cp2Mg/TMGa之比在1/660-1/330之间     

高浓度Mg掺杂GaN的电学和退火特性研究

对高浓度Mg掺杂GaN在常规热退火和快速热退火前后的材料质量和电学特性进行了研究。X 射线衍射测量表明 ,重掺杂导致了GaN质量的下降 ,退火后略有恢复。霍尔测量表明 ,Cp2 Mg :TMGa的流量比小于 1:2 6.3时 ,退火后空穴浓度可达到 2× 10 18cm- 3;当Cp2 Mg :TM Ga的流量比为 1:2 1.9时 ,得到的高阻GaN在常规热退火和快速热退火后均只为弱 p型 ,存在明显的施主补偿现象。这被认为是重掺杂导致晶格缺陷增多 ,引入了施主能级 ,补偿了被激活的Mg原子的结果     

与HgCdTe晶格匹配的掺锌和硒CdTe衬底

用梯度凝结法生长掺锌和硒的CdTe晶体能获得与HgCdTe晶格匹配的衬底材料。测量每个掺杂剂的分凝系数后,估算装料组分,以实现一致的、合适的晶格常数,按照这种装料组分生长出的晶体,在固化系数0～0.7范围内,不仅显示出晶格常数非常一致,而且还具有用低位错密度(3×10~(-3)cm~(-2))表征出晶体的高度完整性和高的红外透射率(>62％)。因此.作为HgCdTe外延生长的衬底,掺Zn和Se的CdTe是一种非常有希望的材料。     

p型GaN的渐变δ掺杂研究

采用MOCVD技术及渐变δ-Mg掺杂方法生长了p型GaN薄膜,对样品进行了两步退火处理以对Mg进行激活.通过Hall测试发现,经过950℃下的第一次退火后,样品空穴浓度为1.64×1016cm-3,电阻率为77.9Ω·cm.经过750℃下的第二次退火后,样品的空穴浓度增大了10倍,电阻率减小为原来的1/20.分析认为,渐变δ掺杂减小了Mg的自补偿效应,两步退火提高了Mg的激活效率,从而显著提高了样品的空穴浓度和降低了电阻率.实验还发现,经过750℃下15min的第二次退火后得到的样品的空穴浓度最大,达5.13×1017cm-3.     

GaN/Al_2O_3(0001)的匹配机制及氮化的作用

在Ａｌ２Ｏ３（０００１）衬底上用ＭＯＣＶＤ（金属有机物气相沉积）方法进行了ＧａＮ的外延生长，通过Ｘ射线衍射（同步辐射源）研究了ＧａＮ和Ａｌ２Ｏ３（０００１）的匹配关系。结果表明，经充分氮化的衬底上，ＧａＮ以单一的匹配方式沿［０００１］方向生长；在Ａｌ２Ｏ３（０００１）衬底未经氮化或氮化不充分时，不同程度地出现了其它三种绕〈１１２０〉晶带轴倾斜一定角度的匹配位向。指出了ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（０００１）的几种匹配方式的晶体学规律。ＧａＮ绕〈１１２０〉晶带轴倾斜的匹配方式是其外延生长过程中降低和Ａｌ２Ｏ３（０００１）的晶格失配、释放界面应变的重要机制之一。     

晶格匹配InAlN/GaN HEMT沟道温度评估方法研究

首先分别利用直流电学法、脉冲电学法和微区拉曼光谱法测量了晶格匹配InAlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的沟道温度,然后评估了各类评估方法的准确性。结果表明:直流电学法获得的温度值远低于拉曼光谱法,严重低估了HEMT工作时的沟道温度;脉冲电学法获得的温度值有所提升,但受限于水平空间分辨率,平均了源极-漏极之间的温度;微区拉曼光谱法能够准确获得沟道最高温度,但测量过程复杂,不适合评估封装器件。最后,提出了一种基于微光显微镜(EMMI)技术的微光电学法,获得了沟道温度的三角分布关系,得到了与拉曼光谱法一致的实验结果。该评估方法适合于实际生产。     

基于图形衬底生长的GaN位错机制分析

采用缺陷选择性腐蚀法结合光学显微镜及原子力显微镜(AFM)对金属有机化合物气相外延(MOVPE)在蓝宝石图形衬底(PSS)上生长的非掺杂GaN体材料的位错产生机制进行了研究,分析结果表明,位错来源于三个方面:一是"二步法"生长机制引入的位错;二是是由于图形衬底上不同区域GaN晶体相互连接时由于晶面不连续所造成的位错群;三是由于图形衬底制作工艺过程中引入的表面污染与损伤.     

Mg掺杂的AlGaN的MOCVD生长

文章主要研究利用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)方法制备的Mg掺杂AlGaN薄膜。根据Raman光谱对Mg掺杂AlGaN薄膜应力和X射线摇摆曲线对晶体质量的研究表明引入高温AlN插入层能有效调节应力，并提高薄膜质量，降低位错密度。实验发现在保持Mg掺杂量不变的情况下，随着Al组分的上升，材料中出现大量岛状晶核，粗糙度变大，晶体质量下降，由三维生长向二维生长的转变更加困难。同时研究发现Al组分的上升和Mg掺杂量的增加都会使得螺位错密度上升;Mg的掺杂对于刃位错有显著影响，而Al组分的上升对刃位错无明显影响。经过退火温度对空穴浓度影响的研究，发现对于P型Al0.1Ga0.9N样品，900℃为比较理想的退火温度。     

锥形图形衬底上氮化镓薄膜生长和表征

GaN films are grown on cone-shaped patterned sapphire substrates(CPSSs)by metal-organic chemical vapor deposition,and the influence of the temperature during the middle stage of GaN growth on the threading dislocation(TD)density of GaN is investigated.High-resolution X-ray diffraction(XRD)and cathodeluminescence(CL)wereusedtocharacterizetheGaNfilms.TheXRDresultsshowedthattheedge-typedislocation density of GaN grown on CPSS is remarkably reduced compared to that of GaN grown on conventional sapphire substrates(CSSs).Furthermore,whenthegrowthtemperatureinthemiddlestageofGaNgrownonCPSSdecreases,the full width at half maximum of the asymmetry(102)plane of GaN is reduced.This reduction is attributed to the enhancement of vertical growth in the middle stage with a more triangular-like shape and the bending of TDs.The CL intensity spatial mapping results also showed the superior optical properties of GaN grown on CPSS to those of GaN on CSS,and that the density of dark spots of GaN grown on CPSS induced by nonradiative recombination is reduced when the growth temperature in the middle stage decreases.     

GaN外延用蓝宝石衬底的图形化研究进展

因蓝宝石具有良好的稳定性能,且其生产技术成熟,是目前异质外延GaN应用最广泛的衬底材料之一.采用图形化蓝宝石衬底技术可以降低GaN外延层材料的位错密度,提高LED的内量子效率,同时提高LED出光效率提高,近年来引起了国内外的广泛关注.概述了图形化蓝宝石衬底的研究进展,包括图形化蓝宝石衬底的制备工艺、图形尺寸、图形形状及图形化蓝宝石衬底的作用机理;详细介绍了凹槽状、圆孔状、圆锥形、梯形和半球状5种图形形状,并分析了GaN材料在不同图形形状的图形化蓝宝石衬底上的生长机理及不同图形形状对GaN基LED器件性能的影响.对图形化蓝宝石衬底技术的研究方向进行了展望,提出了亟待研究和解决的问题.     

图形化蓝宝石衬底形貌对GaN基LED出光性能的影响

近年来,图形化蓝宝石衬底(PSS)作为GaN基LED外延衬底材料被广泛应用.通过干法刻蚀和湿法腐蚀制备了不同规格和形状的蓝宝石衬底图形,并进行外延生长、芯片制备和封装验证,采用扫描电子显微镜(SEM)和3D轮廓仪进行形貌表征,研究了不同规格和形状的衬底图形对LED芯片出光性能影响,并与外购锥形衬底(PSSZ2)进行对比.结果表明,在20 mA工作电流下,PSSZ2的LED光通量为8.33 lm.采用类三角锥和盾形衬底的LED光通量分别为7.83 lm和7.67 lm,分别比PSSZ2衬底低6.00％和7.92％.对锥形形貌进行优化,采用高1.69 μm、直径2.62 μm、间距0.42 μm的锥形衬底(PSSZ3)的LED光通量为8.67 lm,比PSSZ2衬底高4.08％,优化的PSSZ3能有效地提高LED出光性能.     

The effects of oxygen,nitrogen, and hydrogen annealing on Mg acceptors in GaN as monitored by electron paramagnetic resonance spectroscopy

Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is used to study the unpassivated Mg-related acceptor in GaN films. As expected, the trends observed before and after O₂, N₂, or forming-gas anneals at temperatures <800°C are similar to those typically reported for electrical measurements. However, annealing at temperatures >850°C in O₂ or N₂ permanently removes the signal, contrary to the results of conductivity measurements. Approximately 10¹⁹ cm⁻³ Mg acceptors were detected in some GaN films grown by chemical vapor deposition (CVD) before acceptor activation, suggesting that it is possible to have electrically active Mg in as-grown CVD material.     

AlGaN/GaN HEMT材料外延技术研究

采用低压MOCVD技术在蓝宝石和SiC衬底上生长了本征GaN和AlGaN/GaN HEMT结构材料。生长过程中采用了EpiTUNEⅡ在位监测技术,对材料生长工艺进行了模型分析以及优化控制。在获得具有良好表面形貌、晶体质量以及光荧光谱的GaN本征材料基础上,生长了AlGaN/GaN HEMT结构材料,获得了良好的2DEG性能。     

AlGaN缓冲层结构对Si基GaN材料性能的影响

Si衬底与GaN之间较大的晶格失配和热失配引起的张应力使GaN外延层极易产生裂纹,如何补偿GaN所受到的张应力是进行Si基GaN外延生长面临的首要问题.采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术在4英寸(1英寸=2.54 cm)Si (111)衬底上制备了GaN外延材料并研究了不同AlGaN缓冲层结构对Si基GaN外延材料性能的影响,并采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)、原子力显微镜(AFM)、喇曼光谱以及光学显微镜对制备的GaN材料的性能进行了表征.采用3层A1GaN缓冲层结构制备了表面光亮、无裂纹的GaN外延材料,其(002)晶面半高宽为428 arcsec,表面粗糙度为0.194 nm.结果表明,采用3层A1GaN缓冲层结构可以有效地降低GaN材料的张应力和位错密度,进而遏制表面裂纹的出现,提高晶体质量.     

电流增益截止频率为236GHz的InAIN/GaN高频HEMT

研制了高电流增益截止频率(fT)的InAlN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT).采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)再生长n+GaN非合金欧姆接触工艺将器件源漏间距缩小至600 nm,降低了源、漏寄生电阻,有利于改善器件的寄生效应;使用低压化学气相沉积(LPCVD)生长SiN作为栅下介质,降低了InAlN/GaN HEMT栅漏电;利用电子束光刻实现了栅长为50 nm的T型栅.此外,还讨论了寄生效应对器件fT的影响.测试结果表明,器件的栅漏电为3.8 μA/mm,饱和电流密度为2.5 A/mm,fT达到236 GHz.延时分析表明,器件的寄生延时为0.13 ps,在总延时中所占的比例为19％,优于合金欧姆接触工艺的结果.     

退火温度对硅基GaN薄膜质量的影响

采用电泳沉积法在Si(111)衬底上制备GaN薄膜,并研究退火温度对GaN薄膜晶体质量、表面形貌和发光特性的影响。傅立叶红外吸收谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)的测试结果表明所得样品为六方纤锌矿结构的GaN多晶薄膜,随退火温度的升高,晶粒尺寸增大,结晶化程度提高。室温下光致发光谱的测试发现了位于367 nm处的强发光峰和437 nm处的弱发光峰,其发光强度随退火温度的升高而增强,但发光峰的位置并不发生移动。