生长在尖晶石衬底上的GaN外延层的喇曼散射研究

在室温下测量了用ＭＯＶＰＥ方法生长在尖晶石（ＭｇＡｌ２Ｏ４）衬底上的ＧａＮ外延层的一阶喇曼光谱．应用各种背散射和９０°散射配置，测得了除低频Ｅ２模外所有ＧａＮ的喇曼活性光学声子模．并且在Ｘ（Ｚ，Ｘ）Ｚ和Ｘ（Ｙ，Ｙ）Ｚ配置下观测到了由Ａ１和Ｅ２模混合形成的准ＴＯ和准ＬＯ模．所得结果与群论选择定则预计的一致     

Si衬底GaN外延材料六角形缺陷分析

通过改变AlN形核层的生长温度分别在Si(111)衬底上生长了两个GaN样品,并对GaN外延材料表面的六角形缺陷进行了分析研究。通过显微镜和扫描电镜(SEM)观测发现,AlN形核层在高温下生长时,GaN材料表面会产生大量六角形缺陷。通过电子能谱(EDS)分析得出GaN六角形缺陷中含有大量的Si元素以及少量的Ga和Al元素,其中Si元素从Si衬底中高温扩散而来。在降低AlN形核层的生长温度后,GaN材料表面的六角形缺陷随之消失。表明AlN形核层在较低的温度下生长时可以有效地抑制Si衬底表面Si原子的扩散,减少外延层中由于衬底Si反扩散引起的缺陷。     

Al沉积时间对Si衬底GaN材料的影响

通过改变高温AlN形核层生长时提前通入TMAl的时间,分别在Si(111)衬底上生长了4个1μm厚的GaN样品,并对每个样品的GaN外延材料进行了分析研究。通过显微镜观察发现,Al的沉积时间为12 s时,GaN材料表面光亮,基本没有裂纹。另外通过喇曼谱和光荧光谱(PL)测试得出,随着生长初期Al沉积时间的增加(8～15 s),GaN外延层的水平应力逐渐减小(由1.28 GPa减小到0.67 GPa),Al的沉积时间为12 s时GaN外延材料的应力较小。同时,GaN材料(002)和(102)晶面的X射线衍射摇摆曲线表明,Al的沉积时间为12 s时GaN外延材料的晶体质量最好。     

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.     

ScAlN缓冲层厚度对Si(100)衬底上GaN外延层的影响

采用脉冲直流磁控溅射方法在Si(100)衬底上制备了ScAlN薄膜。以溅射的ScAlN作为缓冲层,在Si(100)衬底上用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术外延了GaN薄膜。使用高分辨X射线衍射、原子力显微镜和拉曼光谱研究了ScAlN缓冲层的厚度对ScAlN缓冲层和GaN外延层的影响。研究结果表明,ScAlN缓冲层的厚度是影响GaN薄膜晶体质量的重要因素。随着ScAlN厚度的增加,ScAlN的(002)面X射线衍射摇摆曲线半高宽持续减小,GaN的(002)面X射线衍射摇摆曲线半高宽先减小后增大。当ScAlN缓冲层厚度为500nm时,得到的GaN晶体质量最好,其中GaN(002)面的X射线衍射摇摆曲线半高宽为0.38°,由拉曼光谱计算得到的张应力为398.38MPa。     

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.     

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.     

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.     

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.     

铝插入层对硅基AlN外延特性的影响

采用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)研究了Al金属插入层对Si(111)衬底上AlN薄膜材料生长的影响。结果证明,Al插入层可改善AlN外延层的晶体质量,而且引入Al预扩散机制可消除外延表面的孔隙。同时,采用AlN插入层预扩散有利于获得Al极性的AlN,否则倾向于获得N极性的AlN。     

Si(111)衬底无微裂GaN的MOCVD生长

采用Al N插入层技术在Si(1 1 1 )衬底上实现无微裂Ga N MOCVD生长.通过对Ga N外延层的a,c轴晶格常数的测量,得到了Ga N所受张应力与Al N插入层厚度的变化关系.当Al N厚度在7～1 3nm范围内,Ga N所受张应力最小,甚至变为压应力.因此,Ga N微裂得以消除.同时研究了Al N插入层对Ga N晶体质量的影响,结果表明,许多性能相比于没有Al N插入层的Ga N样品有明显提高     

AlN成核层厚度对Si上外延GaN的影响

采用低温AlN成核层,在Si(111)衬底上,用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法生长了GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射(XRD)、椭圆偏振光谱仪和原子力显微镜(AFM)研究了AlN成核层的厚度对GaN外延层的影响。对AlN的测试表明,AlN的表面粗糙度(RMS)随着厚度增加而变大。对GaN的测试表明,所有GaN样品在垂直方向处于压应变状态,并且随AlN厚度增加而略有减弱。GaN的(0002)_ω扫描的峰值半宽(FWHM)随着AlN成核层厚度增加而略有升高,GaN(10-12)_ω扫描的FWHM随着厚度增加而有所下降。(10-12)_ω扫描的FWHM与GaN的刃型穿透位错密度相关,A1N成核层的厚度较大时会降低刃型穿透位错密度,并减弱c轴方向的压应变状态。     

Si基GaN薄膜的制备方法及结构表征

分别采用射频磁控溅射、热壁化学气相沉积(CVD)、电泳沉积法制备GaN薄膜。利用扫描电镜(SEM)、荧光光谱仪对样品进行结构、形貌和发光特性的分析比较。射频磁控溅射方法中,把SiC中间层沉淀到Si衬底上,目的是为了缓冲由GaN外延层和Si衬底的晶格失配造成的应力。结果证实了SiC中间层提高了GaN薄膜的质量。热壁化学气相沉积法制备GaN晶体膜时,选择H2作反应气体兼载体,有利于GaN膜的形成。电泳沉积法显示所得样品为六方纤锌矿结构的GaN多晶薄膜。结果表明:溅射法制备的GaN薄膜结晶效果好;CVD法制备时GaN薄膜应用范围广;电泳沉积法操作方便、简单易行。     

Si衬底和Si-SiO_2-Si柔性衬底上的GaN生长

使用MBE方法在Si(111)衬底和Si SiO2 Si柔性衬底上生长了GaN外延层 ,并对在两种衬底上生长的样品进行了对比分析 .在柔性衬底上获得了无裂纹的外延层 ,其表面粗糙度为 0 6nm .研究了GaN外延层中的应力及其光学性质 ,光致发光测试结果表明柔性衬底上生长的外延层中应力和杂质浓度明显低于直接生长在Si衬底上的样品的值 .研究结果显示了所用柔性衬底有助于改善GaN外延膜的质量     

氧化物缓冲层制备Si(111)基GaN纳米线

采用氧化物缓冲层,通过射频磁控溅射系统依次在n型Si(111)衬底上沉积Ga2O3/ZnO(Ga2O3/MgO)薄膜,然后将薄膜于950℃氨化合成GaN纳米结构,氨化时间为15min。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)和高分辨透射电镜(HRTEM)对样品的结构进行了分析,结果显示两种缓冲层下制备的样品均为六方纤锌矿单晶GaN纳米结构,且缓冲层的取向对纳米线的生长方向有很大影响;采用扫描电镜(SEM)对样品的形貌进行了测试,发现纳米线表面光滑,长度可达几十微米,表明采用氧化物缓冲层制备了高质量的GaN线。同时对GaN纳米线的生长机理进行了简单讨论。