Si(111)衬底无微裂GaN的MOCVD生长

采用AlN插入层技术在Si(111)衬底上实现无微裂GaN MOCVD生长.通过对GaN外延层的a,c轴晶格常数的测量,得到了GaN所受张应力与AlN插入层厚度的变化关系.当AlN厚度在7～13nm范围内,GaN所受张应力最小,甚至变为压应力.因此,GaN微裂得以消除.同时研究了AlN插入层对GaN晶体质量的影响,结果表明,许多性能相比于没有AlN插入层的GaN样品有明显提高.     

6英寸SiC衬底上MOVPE生长GaN HEMT材料

采用金属有机气相外延(MOVPE)方法在6英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底上生长了GaN HEMT材料。使用高分辨X射线衍射仪、原子力显微镜和微区拉曼光谱仪等对材料的表面形貌、晶体质量和应力进行了测试和表征。测试结果表明,GaN外延材料(002)面和(102)面的半高宽(FWHM)分别为204″和274″,表面粗糙度(扫描范围为5μm×5μm)为0.18 nm,GaN外延材料具有较好的晶体质量。拉曼光谱测试结果显示,6英寸GaN外延材料应力为压应力,并得到有效控制。非接触霍尔测试结果显示AlGaN/GaN HEMT结构材料二维电子气(2DEG)迁移率为2 046 cm²/(V·s),面密度为6.78×10¹² cm^-2,方块电阻相对标准偏差为1.85%,结果表明,制备的6英寸GaN HEMT结构材料具有良好的电学性能。     

采用AlN缓冲层在Si(111)衬底上生长GaN的形貌

针对Si衬底上生长GaN具有的特有形貌进行了研究,分析采用扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)等手段,研究了使用AlN作为缓冲层的GaN的生长模式、缺陷形成机理、应力释放机制.并且发现缓冲层厚度和外延层生长温度对裂纹和表面缺陷的形成有很大的影响.     

采用AlN缓冲层在Si(111)衬底上生长GaN的形貌

针对Si衬底上生长GaN具有的特有形貌进行了研究,分析采用扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)等手段,研究了使用AlN作为缓冲层的GaN的生长模式、缺陷形成机理、应力释放机制.并且发现缓冲层厚度和外延层生长温度对裂纹和表面缺陷的形成有很大的影响.     

Si(111)衬底上生长的GaN的形貌与AlN缓冲层生长温度的关系

利用LP-MOCVD技术在Si(111)衬底上,用不同温度生长AlN缓冲层,再在缓冲层上外延GaN薄膜.采用高分辨率双晶X射线衍射(DCXRD)技术和扫描电子显微镜(SEM)分析这些样品,比较缓冲层生长温度对缓冲层和外延层的影响,并提出利用动力学模型解释这种温度的影响.进一步解释了GaN外延层表面形貌中"凹坑"的形成及"凹坑"与缓冲层生长温度的关系.结果表明,温度的高低通过影响缓冲层初始成核密度和成核尺寸来影响外延层表面形貌.     

Si(111)衬底上生长的GaN的形貌与AlN缓冲层生长温度的关系

利用LP-MOCVD技术在Si（111）衬底上,用不同温度生长AlN缓冲层,再在缓冲层上外延GaN薄膜．采用高分辨率双晶X射线衍射（DCXRD）技术和扫描电子显微镜（SEM）分析这些样品，比较缓冲层生长温度对缓冲层和外延层的影响，并提出利用动力学模型解释这种温度的影响．进一步解释了GaN外延层表面形貌中“凹坑”的形成及“凹坑”与缓冲层生长温度的关系．结果表明，温度的高低通过影响缓冲层初始成核密度和成核尺寸来影响外延层表面形貌．     

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。     

Si(111)衬底上GaN外延材料的应力分析

对Si(111)衬底上GaN外延材料的应力随着低温AlN插入层数的变化进行了分析研究。通过喇曼散射谱在高频E2(TO)模式下的测试分析发现,随着低温AlN插入层数的增加,GaN材料的E2(TO)峰位逐渐接近体GaN材料的E2(TO)峰位(无应力体GaN材料的E2(TO)峰位为568cm-1),计算得出GaN材料的应力从1.09GPa减小到0.42GPa。同时,使用室温光荧光谱进行了分析验证。结果表明,Si衬底上GaN外延材料受到的是张应力,通过低温AlN插入层技术可以有效降低GaN材料的应力,并且最终实现了表面光亮的厚层无裂纹GaN材料。     

利用AlxGa1-xN在Si(111)上生长无裂纹GaN

利用LP-MOCVD技术在Si(111)衬底上,用不同Al组分的AlGaN做缓冲层,再在缓冲层上生长GaN薄膜,采用XRD技术和原子力显微镜(AFM)分析样品知,样品整体的结晶质量良好。通过分析外延层的拉曼谱得出GaN中存在应力,而且是张应力,通过计算得出,应力为0.23 GPa。     

MOCVD生长AlGaN/GaN/Si(111)异质结材料

利用MOCVD在Si(111)衬底上生长了无裂纹的GaN外延薄膜和AlGaN/GaN异质结构。通过优化Si衬底的浸润处理时间、AlN层厚度等参数获得了无裂纹的GaN外延薄膜,研究了SiN缓冲层和插入层厚度对AlGaN/GaN异质结电学性质的影响,2DEG的迁移率和面密度分别达到1410cm2/V.s和1.16×1013cm-2。     

GaN/GaAs(001)外延薄膜的湿法腐蚀特性

对在GaAs (001) 衬底上用金属有机物气相外延(MOVPE)方法生长的GaN薄膜的湿法腐蚀特性进行了研究.所用腐蚀液包括HCl、H3PO4、KOH水溶液以及熔融KOH,腐蚀温度为90～300℃.实验发现不同的腐蚀液在样品表面腐蚀出不同形状的腐蚀坑.KOH溶液腐蚀出长方形的坑,长边平行于(111)A面,表明沿相互垂直的〈110〉晶向的腐蚀特性不同.用不同晶面相对反应性的差别定性解释了腐蚀的这种非对称性.此外,还发现KOH水溶液更有可能用于显示立方相GaN外延层中的层错.     

GaN/GaAs(001)外延薄膜的湿法腐蚀特性

对在GaAs (001) 衬底上用金属有机物气相外延(MOVPE)方法生长的GaN薄膜的湿法腐蚀特性进行了研究.所用腐蚀液包括HCl、H3PO4、KOH水溶液以及熔融KOH,腐蚀温度为90～300℃.实验发现不同的腐蚀液在样品表面腐蚀出不同形状的腐蚀坑.KOH溶液腐蚀出长方形的坑,长边平行于(111)A面,表明沿相互垂直的〈110〉晶向的腐蚀特性不同.用不同晶面相对反应性的差别定性解释了腐蚀的这种非对称性.此外,还发现KOH水溶液更有可能用于显示立方相GaN外延层中的层错.     

Evolution of Threading Dislocation Density and Stress in GaN Films Grown on (111) Si Substrates by Metalorganic Chemical Vapor Deposition

We have studied the evolution of threading dislocations (TDs), stress, and cracking of GaN films grown on (111) Si substrates using a variety of buffer layers including thin AlN, compositionally graded Al _x Ga_1-x N (0 ≤ x ≤ 1), and AlN/Al _y Ga_1-y N/Al _x Ga_1-x N (0 ≤ x ≤ 1, y = 0 and 0.25) multilayer buffers. We find a reduction in TD density in GaN films grown on graded Al _x Ga_1-x N buffer layers, in comparison with those grown directly on a thin AlN buffer layer. Threading dislocation bending and annihilation occurs in the region in the graded Al _x Ga_1-x N grown under a compressive stress, which leads to a decrease of TD density in the overgrown GaN films. In addition, growing a thin AlN/Al _y Ga_1-y N bilayer prior to growing the compositionally graded Al _x Ga_1-x N buffer layer significantly reduces the initial TD density in the Al _x Ga_1-x N buffer layer, which subsequently further reduces the TD density in the overgrown GaN film. In-situ stress measurements reveal a delayed compressive-to-tensile stress transition for GaN films grown on graded Al _x Ga_1-x N buffer layers or multilayer buffers, in comparison to the film grown on a thin AlN buffer layer, which subsequently reduces the crack densities in the films.     

GaN生长速率的研究

采用在位监控方法研究了MOCVD系统中GaN材料的外延生长速率与NH3流量、TMGa流量、Ⅴ/Ⅲ比等生长参数的关系．GaN生长速率随NH3流量的提高先增加后减小,而随TMGa流量的增加线性的增加．在不同NH3流量的情况下,GaN生长速率随TMGa流量增加的速率不同．GaN的生长速率与Ⅴ/Ⅲ比没有直接的关系,而与NH3,TMGa等条件有关．实验结果表明,MOCVD系统中存在着较强的预反应．预反应的程度与TMGa的流量成正比．     

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 Ga N外延膜 .对薄膜进行了 X射线衍射和光致发光谱 (PL)测试 ,(0 0 0 2 ) 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     

Si(111)衬底高温AlN缓冲层厚度及其结构特性

通过高分辨X射线衍射、光致发光、二次离子质谱（SIMS) 、原子力显微镜和同步辐射X射线衍射分析了AlN缓冲层的厚度对GaN外延层的影响. 实验表明，在缓冲层厚度为13～20nm之间时，GaN外延层的张应力最小，同时晶体质量和光学质量达到最优值. 此外，SIMS分析表明，当AlN缓冲层位于13～20nm之间时，可有效抑制Si的扩散.