采用金属镓层氮化技术在石英衬底上生长多晶GaN

随着多晶GaN材料发光研究的不断深入 ,大面积、价格低廉的多晶GaN基光电器件的研制已成为工业生产中一个重要的研究领域。石英玻璃以其自身特有的优势 ,成为生长多晶GaN材料的较为理想的衬底。本文采用一种新的金属镓层氮化技术 ,使用无定形石英作衬底 ,在常压下制备出多晶GaN。经分析测试表明 ,生长出的多晶GaN为六方结构且质量较好 ,并观察到针状的表面结构     

用MOCVD法在LiGaO2(001)上生长GaN的研究

LiGaO2单晶是目前所知的GaN最为理想的衬底材料，本研究用金属有机物气相沉积法（MOCVD）在LiGaO2(001)衬底上进行了外延生长GaN膜的试验，生长出了表面较为平整的GaN外延膜。应用原子力显微镜（AFM）、X射线粉末衍射（XRD）和高分辨X射线双晶衍射分别对衬底对外延膜和衬底材料进行了分析测试。结果表明，用MOCVD法可以在LiGaO2(001)衬底上生长出较高质量的无掺杂GaN(0001)外延膜。但由于MOCVD法是在高温还原气氛中生长GaN外延膜的，LiGaO2在这种气氛中不够稳定，实验发现衬底材料在生长过程中部分样品发生开裂，但没有发生相变。     

横向过生长 (LEO)外延 GaN材料及其生长机理

由于没有合适的衬底材料与之匹配，使外延生长的GaN材料缺陷密度很大，从而限制了它的应用。采用LEO（横向过生长外延）技术能使缺陷密度降低3－4个数量级,可生长出高质量的GaN材料。本文简要介绍了应用LEO技术生长GaN材料的现状及对生长机理研究的进展。     

立式高真空MOCVD装置CaN外延生长与器件制备

自行设计了一套具有创新性的研究型立式高真空MOCVD装置,能够较好的调节反应气体的流动状态,从而在衬底上生长大面积均匀的外延层.利用该装置在蓝宝石和硅单晶衬底上成功地生长出高质量的GaN晶体薄膜.在蓝宝石衬底上生长出n、p型GaN以及多量子阱多层结构材料,并成功制备了GaN基多层量子阱结构的蓝光发光二极管,性能良好,具有实用价值.     

用MOCVD法在LiGaO2(001)上生长GaN的研究

LiGaO₂单晶是目前所知的GaN最为理想的衬底材料,本研究用金属有机物气相沉积法(MOCVD)在LiGaO₂(001)衬底上进行了外延生长GaN膜的试验,生长出了表面较为平整的GaN外延膜.应用原子力显微镜(AFM)、X射线粉末衍射(XRD)和高分辨X射线双晶衍射分别对衬底对外延膜和衬底材料进行了分析测试.结果表明,用MOCVD法可以在LiGaO₂(001)衬底上生长出较高质量的无掺杂GaN(0001)外延膜.但由于MOCVD法是在高温还原气氛中生长GaN外延膜的,LiGaO₂在这种气氛中不够稳定,实验发现衬底材料在生长过程中部分样品发生开裂,但没有发生相变.     

硅衬底GaN基LED研究进展

由于硅具有价格低、热导率高、大直径单晶生长技术成熟等优势以及在光电集成方面的应用潜力,GaN/Si基器件成为一个研究热点.然而,GaN与Si之间的热失配容易引起薄膜开裂,这是限制LED及其它电子器件结构生长的一个关键问题.近年来,随着工艺的发展,GaN晶体质量得到大幅度的提高.同时不少研究小组成功地在Si衬底上制造出LED.介绍了GaN薄膜开裂问题及近期硅衬底GaN基LED的研究进展.     

化学气相沉积法制备GaN纳米线及其形貌结构和生长机理研究

采用化学气相沉积(CVD)法,分别以Ni、Au为催化剂,氨化金属Ga制备出GaN纳米线。运用SEM,EDX,TEM等表征手段分析了GaN纳米线的形貌与结构。通过改变氨化温度、生长时间、催化剂、衬底以及Ga源和衬底间的距离等生长条件,研究了其对GaN纳米线形貌和结构的影响,通过分析探讨纳米线的生长过程与机制,得到了生长GaN纳米线的最佳工艺。     

GaN纳米棒的制备及机理研究

本文分别用三甲基镓和高纯蓝氨作为Ga源和N源,Ni(NO3)2作为催化剂,在Si(111)衬底上制得针尖状GaN纳米棒.测试结果表明制备的GaN纳米棒是沿<100>方向生长的纯六方相结构.通过对生长过程的分析,我们认为GaN纳米棒的生长过程不仅受到VLS机制的控制,而是多种生长方式共同作用的结果.在反应的初期,GaN纳米棒的生长遵从VLS机制;但是随着GaN纳米棒轴向和径向的生长,GaN纳米结构中纳米棒端部的Ni催化剂纳米球会被"挤"出顶部,在较大的气流流速下被吹落至衬底上,失去催化剂诱导作用的纳米棒随后自行外延生长;而吹落至衬底上的Ni催化剂纳米球成为第二次生长有利的形核位置,且再次生长出粗短的纳米棒.因此不同生长机制得到的GaN纳米棒交织在一起,形成了最终的GaN纳米结构.     

氮化时间对扩镓硅基GaN晶体膜质量的影响

采用射频磁控溅射在扩镓硅基上溅射Ga2O3薄膜,然后氮化反应组装GaN晶体膜,并研究氮化时间对薄膜晶体质量的影响。测试结果表明：采用两步法生长得到六方纤锌矿结构的GaN多晶膜,扩镓硅层有效的抑制了硅衬底的氮化和弛豫了GaN与Si衬底的热失配。同时显示：在相同的氮化温度下,晶粒尺寸随氮化时间的增加而增大,薄膜的晶化程度相应的得到提高。     

Si（111）衬底上非晶态GaN薄膜的晶化过程

采用磁控溅射法在Si（111）衬底上直接淀积GaN薄膜。通过X射线衍射谱（XRD）、X光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）研究GaN薄膜由非晶态向多晶态的转化过程。实验结果表明：（1）在900℃氮气气氛中退火，非晶态GaN保持不变；（2）在900℃氨气气氛中退火，虽然非晶态GaN转化为多晶态GaN，但却出现中间相金属Ga；（3）在非晶态GaN向多晶态GaN转化过程中，GaN晶粒将逐渐增大。     

退火温度和ZnO缓冲层对氨化Ga2O3/ZnO薄膜合成GaN纳米结构的影响

利用射频磁控溅射法在Si(111)衬底上先溅射ZnO缓冲层,再溅射Ga2O3薄膜,然后在开管炉中不同温度下通氨气进行氨化反应生长GaN薄膜.分析结果表明,利用该方法制备的GaN薄膜是六角纤锌矿多晶结构,并且随着氨化温度的升高,GaN薄膜向棒状和线状形态转变.同时分析了ZnO缓冲层对形成GaN纳米结构的影响.     

Si基ZnO缓冲层溅射Ga2O3氨化反应生长GaN薄膜

利用射频磁控溅射法在Si（111）衬底上先溅射ZnO缓冲层,再溅射Ga2O3薄膜,然后在开管炉中分别以850℃,900℃,950℃和1 000℃等温度及常压下通氨气进行氨化,反应生长GaN薄膜.利用该方法制备的GaN薄膜是沿c轴方向择优生长的六角纤锌矿多晶结构,并且随着氨化温度的升高,GaN向棒状和线状形态生长.     

产业资讯

电子信息材料南昌大学研制成功硅衬底GaN蓝色发光二极管日前,南昌大学材料科学研究所在Si衬底上获得了高质量的GaN基多量子阱LED外延材料,并研制成功硅衬底GaN蓝色发光二极管。据专家评价,南昌大学的硅衬底蓝色发光二极管材料及器件工艺路线为我国发展自主知识产权的发光材料开辟了崭新的空间。蓝色发光二极管用途十分广泛,主要包括手机背光源、手机来电闪发光电池、仪器及汽车音响显示面板背光等。目前国外商品化GaN材料是在Si衬底或蓝宝石上生长的。由于GaN 与Si衬底间存在巨大的晶格失配和热失配的难题,在Si衬底上很难得到器件质量的GaN材     

图形化衬底对高In组分InGaN材料分子束外延(MBE)生长的影响

研究了不同衬底上MBE技术生长的InGaN的光学和结构特征。结果表明,在相同生长条件下,用图形化衬底生长的InGaN材料比用普通衬底生长的材料有较低的表面粗糙度和背景载流子浓度及较强的发光强度。通过透射电子显微镜(TEM)观察,发现普通衬底生长的InGaN内部原子错排现象严重,而采用图形化衬底生长的InGaN原子排列清晰规则。这主要是因为图形化衬底材料外延初期为横向生长模式,这种生长模式可有效地抑制穿透位错在GaN材料体系中的纵向延伸,降低GaN缓冲层中的位错密度,进而抑制外延InGaN材料中穿透位错和V型缺陷的产生。     

电泳沉积法制备GaN薄膜的结构和组分分析

采用电泳沉积法在Si(111)衬底上制备出了GaN薄膜.用X射线衍射(XRD)、傅立叶红外吸收(FTIR)谱、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)对样品的结构、组分和形貌进行了分析.结果显示所得样品为六方纤锌矿结构的GaN多晶薄膜.     

荧光衬底可望用于生产无磷光体LED

由于GaN衬底缺乏，难以生产高质量GaN外延材料。解决这一问题的较好办法之一是使用ZnO衬底，这是因为：ZnO衬底与外延层之间有较好的晶格匹配而且它可设计出新的器件结构。ZnO与GaN、InGaN有相同的六角晶体结构，其结晶学空间群同为“P63mc”。GaN与ZnO之间的晶格失配为2．2％，而ZnO与InGaN（In组份18％时）之间是完全匹配的。     

水平HVPE反应器中气流动力学模拟与GaN生长

建立了GaN HVPE系统的流体动力学模型，研究了反应气体在反应室内的浓度场，讨论了反应室内GaCl和NH3管道空间配置对气体在衬底表面浓度分布的影响，并对HVPE系统反应室的设计进行了优化。材料生长结果表明，厚度均匀性良好，直接在蓝宝石衬底上生长的GaN外延层摇摆曲线半宽为660aresee。     

新型GaN与ZnO衬底ScAlMgO4晶体的研究进展

二十一世纪以来,以氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)为代表的第三代宽禁带(E_g>2.3 eV)半导体材料正成为半导体产业发展的核心支撑材料。由于GaN与ZnO单晶生长难度较大,成本较高,常采用外延技术在衬底材料上生长薄膜,因此寻找理想的衬底材料成为发展的关键。相比于传统的蓝宝石、6H-SiC、GaAs等衬底材料,铝镁酸钪(ScAlMgO₄)晶体作为一种新型自剥离衬底材料,因其与GaN、ZnO具有较小的晶格失配(失配率分别为～1.4%和～0.09%)以及合适的热膨胀系数而备受关注。本文从ScAlMgO₄晶体的结构出发,详细介绍了其独特的三角双锥配位体结构与自然超晶格结构,这是其热学性质与电学性质的结构基础。此外,ScAlMgO₄晶体沿着c轴的层状结构使其具有自剥离特性,大大降低了生产成本,在制备自支撑GaN薄膜方面具有良好的市场应用前景。然而ScAlMgO₄原料合成难度较大,晶体生长方法单一,主要为提拉法,且与日本存在较大的差距,亟需开发新的高质量、大尺寸ScAlMgO     

GaN单晶的HVPE生长与掺杂进展

相比于第一代和第二代半导体材料,第三代半导体材料具有更高的击穿场强、电子饱和速率、热导率以及更宽的带隙,更适用于制备高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀的电子器件、光电子器件和发光器件。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表之一,是制作蓝绿激光、射频微波器件和电力电子器件的理想衬底材料,在激光显示、5G通信、相控阵雷达、航空航天等领域具有广阔的应用前景。氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)方法因生长设备简单、生长条件温和和生长速度快而成为制备GaN晶体的主流方法。由于普遍使用石英反应器,HVPE法生长获得的非故意掺杂GaN不可避免地存在施主型杂质Si和O,使其表现出n型半导体特性,但载流子浓度高和电导率低限制了其在高频大功率器件中的应用。掺杂是改善半导体材料电学性能最普遍的方法,通过掺杂不同掺杂剂可以获得不同类型的GaN单晶衬底,提高其电化学特性,从而满足市场应用的不同需求。本文介绍了GaN半导体晶体材料的基本结构和性质,综述了近年来采用HVPE法生长高质量GaN晶体的主要研究进展;对GaN的掺杂特性、掺杂剂类型、生长工艺以及掺杂原子对电学性...     

GaN基LED图形衬底的性能研究

蓝宝石图形衬底可以降低外延位错密度并增强背散射光, 已经成为制备高亮LED有效技术手段。本研究运用时域有限差分(FDTD)法模拟和比较了GaN基微纳米图形衬底LED几种衬底图形结构对光的提取效率的影响。模拟结果显示纳米图形衬底(NPSS)对光效的提高明显优于微米图形衬底(MPSS)。在对圆柱、圆孔、圆台、圆锥和曲面锥等纳米结构的研究中, 圆台柱结构的纳米图形衬底对光提取效果最好。通过进一步模拟优化, 得到圆台结构的最佳参数, 此时相对于普通衬底LED光的提取效率提高了96.6%。试验中, 采用软模压印技术在蓝宝石基片上大面积制备出纳米圆台图形衬底, 并测得外延生长GaN层后的外延片的PL强度增加了8倍, 可见纳米图形衬底对提高LED的出光效率有显著效果。