预辅Al及AlN缓冲层厚度对GaN/Si(111)材料特性的影响

主要研究了采用高温AlN缓冲层外延生长GaN/Si(111)材料的工艺技术。利用高分辨X射线双晶衍射(HRXRD)分析研究了GaN/Si(111)样品外延层的应变状态和晶体质量,通过原子力显微镜(AFM)分析研究了不同厚度的高温AlN缓冲层对GaN外延层的表面形貌的影响。实验结果表明,AlN缓冲层生长前预通三甲基铝(TMAl)的时间、AlN缓冲层的厚度对GaN外延层的应变状态、外延层的晶体质量以及表面形貌都有显著影响。得到最优的预辅Al时间为10s,AlN缓冲层的厚度为40nm。在此条件下外延生长的GaN样品(厚度约为1μm)表面形貌较好,X射线衍射(XRD)双晶摇摆曲线半峰全宽(FWHM)(0002)面和(10-12)面分别为452″和722″。     

多缓冲层对MOCVD生长的GaN性能的影响

采用多低温缓冲层法和高低温联合缓冲层法在MOCVD系统上生长GaN外延膜.对薄膜进行了X射线衍射和光致发光谱(PL)测试,(0002)X射线摇摆曲线和PL谱的半高宽与常规的单低温缓冲层法制备的薄膜相比均有不同程度的改善.实验结果表明改进的缓冲层法能提高MOCVD生长的氮化镓外延膜晶体质量.     

r面蓝宝石衬底上采用两步AlN缓冲层法外延生长a面GaN薄膜及应力研究

采用MOCVD技术在r面蓝宝石衬底上采用两步AlN缓冲层法外延制备了a面GaN薄膜.利用高分辨X射线衍射技术和Raman散射技术分析了样品的质量以及外延膜中的残余应力.实验结果表明:样品的(1120)面的X射线双晶摇摆曲线的半峰宽仅为0.193°,Raman光谱中E2高频模的半峰宽仅为3.9cm-1,这些说明a面GaN薄膜具有较好的晶体质量;X射线研究结果表明样品与衬底的位相关系为:[11(2)0]GaN ||[1(1)02]sapphire,[0001]Gan||[(11)01]sapphire和[(11)00]GaN[11(2)0]sapphire;高分辨X射线和Raman散射谱的残余应力研究表明,采用两步AlN缓冲层法制备的a面GaN薄膜在平面内的残余应力大小与用低温GaN缓冲层法制备的a面GaN薄膜不同,我们认为这是由引入AlN带来的晶格失配和热失配的变化引起的.     

r面蓝宝石衬底上采用两步AlN缓冲层法外延生长a面GaN薄膜及应力研究

采用MOCVD技术在r面蓝宝石衬底上采用两步AlN缓冲层法外延制备了a面GaN薄膜.利用高分辨X射线衍射技术和Raman散射技术分析了样品的质量以及外延膜中的残余应力.实验结果表明:样品的(1120)面的X射线双晶摇摆曲线的半峰宽仅为0.193°,Raman光谱中E2高频模的半峰宽仅为3.9cm-1,这些说明a面GaN薄膜具有较好的晶体质量;X射线研究结果表明样品与衬底的位相关系为:[11(2)0]GaN ||[1(1)02]sapphire,[0001]Gan||[(11)01]sapphire和[(11)00]GaN[11(2)0]sapphire;高分辨X射线和Raman散射谱的残余应力研究表明,采用两步AlN缓冲层法制备的a面GaN薄膜在平面内的残余应力大小与用低温GaN缓冲层法制备的a面GaN薄膜不同,我们认为这是由引入AlN带来的晶格失配和热失配的变化引起的.     

硅缓冲层提高选区外延生长硅基锗薄膜质量

研究了Si缓冲层对选区外延Si基Ge薄膜的晶体质量的影响。利用超高真空化学气相沉积系统,结合低温Ge缓冲层和选区外延技术,通过插入Si缓冲层,在Si/SiO_2图形衬底上选择性外延生长Ge薄膜。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征了Ge薄膜的晶体质量和表面形貌。测试结果表明,选区外延Ge薄膜的晶体质量比无图形衬底外延得到薄膜的晶体质量要高;选区外延Ge薄膜前插入Si缓冲层得到Ge薄膜具有较低的XRD曲线半高宽以及表面粗糙度,位错密度低至5.9×10~5/cm^2,且薄膜经过高低温循环退火后,XRD曲线半高宽和位错密度进一步降低。通过插入Si缓冲层可提高选区外延Si基Ge薄膜的晶体质量,该技术有望应用于Si基光电集成。     

射频溅射ZnO作缓冲层的HVPE法生长GaN厚膜

在低温HVPE-GaN/c-Al2O3模板上射频溅射ZnO作为缓冲层,采用氢化物气相外延(HVPE,hydridevapoarphaseepitaxy)法外延生长了高质量的GaN320μm厚膜。用高分辨率双晶X射线衍射仪(DCXRD)、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)分析了制备的GaN厚膜特性。结果表明,GaN(0002)面的X射线摇摆曲线衍射峰半高宽(FWHM)为336.15arcsec,穿透位错密度(TDD)为107cm-2,外延生长的GaN厚膜晶体质量较好,可以作为自支撑GaN衬底。     

100mm直径硅衬底上MOCVD外延生长无裂纹GaN

为实现在100 mm直径硅衬底上金属有机物化学气相外延(MOCVD)生长无裂纹GaN,系统研究了预铺铝时间参数对AlN成核质量的影响、不同厚度条件下AlN层对GaN生长的影响以及Al组分渐变的AlGaN缓冲层对GaN裂纹抑制的效果。实验结果表明,适当的预铺铝时间可以显著提高AlN成核层晶体质量,合理的AlN层厚度有助于上层GaN的生长,AlN与GaN之间AlGaN缓冲层的引入可以有效抑制GaN裂纹的产生。最后,采用高分辨率X射线衍射(HRXRD)测试了MOCVD外延生长的无裂纹GaN材料,得到AlN(002)面、GaN(002)面和GaN(102)面的衍射峰半峰宽(FWHM)分别为1 382,550和746 arcsec。     

SiNx插入层对Si衬底上生长GaN薄膜晶体质量和表面形貌的影响

在Si(111)衬底上采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术外延生长GaN薄膜,对外延生长所得GaN薄膜的晶体结构和表面形貌进行表征,并研究SiNx插入层对GaN薄膜的晶体质量和表面形貌的影响.结果表明,在Si衬底上生长GaN薄膜过程中引入SiNx插入层可使GaN薄膜的(10-12)面的X-射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值从974.01减小到602.01arcsec;表面凹坑等缺陷减少、表面平整度提高.可见,SiNx插入层对在Si衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响.     

引入GaN过渡层对Si（111）衬底上生长GaN外延的影响

本文研究了在Si(111)衬底上生长GaN外延层的方法。相比于直接在AlN缓冲层上生长GaN外延层,引入GaN过渡层显著地提高了外延层的晶体质量并降低了外延层的裂纹密度。使用X射线双晶衍射仪、光学显微镜以及在位监测曲线分析了GaN过渡层对外延层的晶体质量以及裂纹密度的影响。实验发现,直接在AlN缓冲层上生长外延层,晶体质量较差, X射线(0002)面半高宽最优值为0.686°,引入GaN过渡层后,通过调整生长条件,控制岛的长大与合并的过程,从而控制三维生长到二维生长过渡的过程,外延层的晶体质量明显提高, (0002)面半高宽降低为0.206°,并且裂纹明显减少。研究结果证明,通过生长合适厚度的GaN过渡层,可以得到高质量、无裂纹的GaN外延层。     

Si1-x Gex:C缓冲层的生长温度对Ge薄膜外延生长的影响

用化学气相淀积方法,在Si(100)衬底上生长Si1-x Gex:C合金作为缓冲层、继而外延生长了Ge晶体薄膜,用X射线衍射(XRD)、俄歇电子能谱(AES)、拉曼(Raman)衍射光谱等对所得到的样品进行了表征测量,着重研究了Si1-x Gex:C缓冲层生长温度对样品结构特征的影响.结果表明:Si1-x Gex:C缓冲层中的Ge原子浓度沿表面至衬底方向逐渐降低,其平均组分随着生长温度的升高而降低.这与较高生长温度(760～820℃)所导致的原子扩散效应相关;在Si1-x Gex:C缓冲层上外延生长的Ge薄膜具有单一的晶体取向,薄膜的晶体质量随着温度的升高而降低.     

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.     

硅衬底GaN基LED外延生长的研究

采用在AlN缓冲层后原位沉积SiN掩膜层,然后横向外延生长GaN薄膜.通过该法在硅衬底上获得了1.7 μm无裂纹的GaN薄膜,并在此基础上外延生长出了GaN基发光二极管(LED)外延片,其外延片的总厚度约为1.9 μm.采用高分辨率双晶X-射线衍射(DCXRD)、原子力显微镜(AFM)测试分析.结果表明,GaN薄膜(0002)面的半峰全宽(FWHM)降低到403 arcsec,其表面平整度得到了很大的改善;InGaN/GaN多量子阱的界面较平整,结晶质量良好.光致发光谱表明,GaN基LED峰值波长为469.2 nm.     

ZnO/SiC/Si(111)异质外延

使用SiC作为过渡层,采用自行设计建造的连通式双反应室高温MOCVD系统很好地克服了ZnO和SiC生长时的交叉污染问题,在Si基片上外延出高质量的ZnO薄膜.测量了样品的XRD和摇摆曲线,以及室温下的PL谱.实验结果表明,SiC过渡层的引入大大提高了ZnO薄膜的质量和发光性能,并有望实现在Si上制备ZnO单晶薄膜.     

Effect of H implantation on the structural properties of GaN

High-resolution X-ray diffraction and Raman scattering techniques have been used to analyse the impact of multiple energy hydrogen implantation with energy ranging from 40 to 120 keV on the structural properties of metal organic chemical vapour deposition grown unintentionally doped n-type Gallium Nitride (GaN) epitaxial layers. The full-width at half-maximum (FWHM) value of GaN rocking curves increases with ion dose indicating the damage in the crystal matrix due to hydrogen ion implantation. E₂ (high) and A₁(LO) Raman modes of GaN have been analysed. The behaviour of Raman shift, FWHM and area of GaN modes with H⁺ dose are explained on the basis of hydrogen substituting nitrogen atom, implantation-induced lattice damage and light attenuation by lattice damage in GaN layer. The influences of H⁺ implantation on the Raman mode parameters of sapphire substrate have also been analysed.     

Effect of AlN buffer thickness on GaN epilayer grown on Si(1 1 1)

We studied the influence of high temperature AlN buffer thickness on the property of GaN film on Si (1 1 1) substrate. Samples were grown by metal organic chemical vapor deposition. Optical microscopy, atomic force microscopy and X-ray diffraction were employed to characterize the samples. The results demonstrated that thickness of high temperature AlN buffer prominently influenced the morphology and the crystal quality of GaN epilayer. The optimized thickness of the AlN buffer is found to be about 150 nm. Under the optimized thickness, the largest crack-free range of GaN film is 10 mm×10 mm and the full width at half maximum of GaN (0 0 0 2) rocking curve peak is 621.7 arcsec. Using high temperature AlN/AlGaN multibuffer combined with AlN/GaN superlattices interlayer we have obtained 2 μm crack-free GaN epilayer on 2 in Si (1 1 1) substrates.     

High quality AIN and GaN grown on compliant Si/SiC substrates by gas source molecular beam epitaxy

Epitaxial layers of AlN and GaN were grown by gas source molecular-beam epitaxy on a composite substrate consisting of a thin (250 nm) layer of silicon (111) bonded to a polycrystalline SiC substrate. Two dimensional growth modes of AlN and GaN were observed. We show that the plastic deformation of the thin Si layer results in initial relaxation of the AlN buffer layer and thus eliminates cracking of the epitaxial layer of GaN. Raman, x-ray diffraction, and cathodoluminescence measurements confirm the wurtzite structure of the GaN epilayer and the c-axis crystal growth orientation. The average stress in the GaN layer is estimated at 320 MPa. This is a factor of two less than the stress reported for HVPE growth on 6H-SiC (0001).     

GaN grown by hydride vapor phase epitaxy on p-type 6H-SiC layers

6H-SiC/GaN pn-heterostructures were grown by subsequent epitaxial growth of p-SiC by low temperature liquid phase epitaxy (LTLPE) and n-GaN by hydride vapor phase epitaxy (HVPE). For the first time, p-type epitaxial layers grown on 6H-SiC wafers were used as substrates for GaN HVPE growth. The GaN layers exhibit high crystal quality which was determined by x-ray diffraction. The full width at a half maximum (FWHM) for the ω-scan rocking curve for (0002) GaN reflection was ∼120 arcsec. The photoluminescence spectra for these films were dominated by band-edge emission. The FWHM of the edge PL peak at 361 nm was about 5 nm (80K).     

Al掺杂4H-SiC同质外延的缓冲层

利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线双晶衍射谱(XRD)和光致发光谱(PL)对在4H-SiC单晶衬底上采用CVD同质外延的4H-SiC单晶薄膜的特性进行研究,发现外延层有很好的晶格结构和完整性。由于Al原位掺杂引起的晶格失配和衬底和外延的晶向偏离,在样品的衬底和外延的界面出现了约1μm的缓冲层,使得XRD摇摆曲线距主峰左侧约41arcs出现了强衍射峰。缓冲层中存在大量的堆垛缺陷和位错,引入缺陷能级,使室温PL测试为"绿带"发光。通过PL全片扫描发现缓冲层在整个样品中普遍存在且分布均匀。     

MOVPE生长GaN过渡层的AFM分析

报道了原子力显微镜对MOVPE生长GaN材料过渡层表面结构的观察，重点分析了氯化、退火前后过渡层结构变化的原因及其对外延生长晶体质量的影响，探讨了不同条件下GaN成核模式的变化，对GaN材料的生长初期成核机理有了进一步的了解，通过优化生长条件，最终获得了X射线双晶衍射半峰宽为5arcmin，表面明亮的高质量GaN外延层。