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.     

缓冲层温度对Si(111)上GaN表面形貌影响

用不同温度的Al N缓冲层在Si(111)衬底上外延GaN薄膜。通过对薄膜表面扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率双晶X射线衍射(DCXRD)的分析,研究了缓冲层生长温度对外延层表面形貌的影响,分析解释了表面形貌中凹坑的形成及缓冲层生长温度对凹坑的影响。结果表明:缓冲层生长温度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。较低温度下的Al N缓冲层,在衬底表面形成的成核颗粒因温度太低,无法运动到相邻的颗粒而结合成大的成核颗粒,因此成核密度高,成核尺寸小;高温生长的Al N缓冲层,成核颗粒有足够的能量运动到相邻的成核颗粒,因此使成核颗粒的尺寸增大,成核密度低。这种初始成核密度和尺寸的不同,造成外延层形貌的差异,如表面形貌中凹坑的密度和大小就是受初始成核的直接影响。通过实验和分析,提出了外延生长的物理模型。     

通过双中温AlN插入层提高半极性(1122)面AlN薄膜的表面形貌和晶体质量

利用金属有机化学气相沉积方法在蓝宝石衬底上生长了一系列具有双中温AlN插入层(MTG-AlN)的半极性AlN薄膜样品。中温生长的AlN插入层具有较大的表面粗糙度,形成了类似纳米级图形化衬底结构,能够有效阻断高温生长的半极性AlN样品中堆垛层错的传播,从而提高半极性AlN样品的表面形貌和晶体质量。通过原子力显微镜和X射线衍射仪的表征,研究了MTG-AlN插入层厚度在20～100 nm之间的变化对半极性AlN样品的表面形貌和晶体质量的影响。结果表明,所有半极性AlN样品都具有■取向。当插入的MTG-AlN中间层厚度约为80 nm时,半极性AlN样品表面粗糙度显著降低,晶体质量明显改善。     

利用ZnO缓冲层制备AlN薄膜

采用脉冲激光淀积 (PL D)技术 ,利用 Zn O作为缓冲层 ,在 Si(10 0 )衬底上生长出 Al N薄膜。X-射线衍射图谱表明 ,该 Al N薄膜具有 c轴取向特性。X-光电子能谱测试表明 ,要获得接近理想化学配比的 Al N薄膜 ,需要高真空淀积气氛或合适的 N2 气氛 ;同时还表明 ,Al N薄膜表面容易形成保护性氧化层。剖面透射电子显微镜显微照相显示该 Al N/ Zn O/ Si(10 0 )多层结构清晰可辨 ,层与层之间的界面非常平整。原子力显微镜分析表明 ,采用 Zn O缓冲层可改善 Al N薄膜的表面粗糙度 (RMS=1nm)     

成核层形貌对AlGaN/GaN异质结晶体质量，表面形貌以及电学特性的影响

Nucleation layer formation is a key factor for high quality gallium nitride（GaN）growth on a sapphire substrate.We found that the growth rate substantially affected the nucleation layer morphology,thereby having a great impact on the crystal quality,surface morphology and electrical properties of AlGaN/GaN heterostructures on sapphire substrates.A nucleation layer with a low growth rate of 2.5 nm/min is larger and has better coalescence than one grown at a high growth rate of 5 nm/min.AlGaN/GaN heterostructures on a nucleation layer with low growth rate have better crystal quality,surface morphology and electrical properties.     

SiC衬底AlN缓冲层的应变对GaN外延层质量的影响

在3英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法生长GaN外延材料。研究了AlN缓冲层的应变状态对GaN外延层应变状态和质量的影响。使用原子力显微镜和高分辨率X射线双晶衍射仪观察样品表面形貌,表征外延材料质量的变化,使用高分辨喇曼光谱仪观察外延材料应力的变化,提出了基于外延生长的应变变化模型。实验表明,GaN外延层的张应变随着AlN缓冲层应变状态的由压变张逐渐减小,随着GaN张应力的逐渐减小,GaN位错密度也大大减少,表面形貌也逐渐变好。     

插入δAl/AlN缓冲层在Si(111)上生长GaN

采用MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)生长方法,对比在AlN层上加入δAl/AlN缓冲层和不加入δAl/AlN缓冲层两种生长结构,在Si(111)衬底上生长GaN.实验结果表明,在加入δAl/AlN缓冲层后,GaN外延层的裂纹密度得到了有效的降低,晶体质量也得到了明显的提高.通过MOCVD生长方法,利用光学显微镜、XRD和Raman等分析测试手段,研究了δAl/AlN缓冲层对GaN外延层的影响,获得了裂纹密度小、晶体质量高的GaN材料.     

插入δAl/AlN缓冲层在Si(111)上生长GaN

采用MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)生长方法,对比在AlN层上加入δAl/AlN缓冲层和不加入δAl/AlN缓冲层两种生长结构,在Si(111)衬底上生长GaN.实验结果表明,在加入δAl/AlN缓冲层后,GaN外延层的裂纹密度得到了有效的降低,晶体质量也得到了明显的提高.通过MOCVD生长方法,利用光学显微镜、XRD和Raman等分析测试手段,研究了δAl/AlN缓冲层对GaN外延层的影响,获得了裂纹密度小、晶体质量高的GaN材料.     

AlN阻挡层对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

利用低压MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长了AlGaN/GaN异质结和AlGaN/AlN/GaN异质结二维电子气材料,采用相同器件工艺制造出了AlGaN/GaN HEMT器件和AlGaN/AlN/GaN HEMT器件.通过对两种不同器件的比较和讨论,研究了AlN阻挡层的增加对AlGaN/GaN HEMT器件性能的影响.     

AlN阻挡层对AlGaN/GaNHEMT器件的影响

利用低压MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长了AlGaN/GaN异质结和AlGaN/AlN/GaN异质结二维电子气材料,采用相同器件工艺制造出了AlGaN/GaN HEMT器件和AlGaN/AlN/GaN HEMT器件.通过对两种不同器件的比较和讨论,研究了AlN阻挡层的增加对AlGaN/GaN HEMT器件性能的影响.     

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.     

Hydrogen sensors based on AlGaN/AlN/GaN HEMT

Pt/AlGaN/AlN/GaN high electron mobility transistors (HEMT) were fabricated and characterized for hydrogen sensing. Pt and Ti/Al/Ni/Au metals were evaporated to form the Schottky contact and the ohmic contact, respectively. The sensors can be operated in either the field effect transistor (FET) mode or the Schottky diode mode. Current changes and time dependence of the sensors under the FET and diode modes were compared. When the sensor was operated in the FET mode, the sensor can have larger current change of 8 mA, but its sensitivity is only about 0.2. In the diode mode, the current change was very small under the reverse bias but it increased greatly and gradually saturated at 0.8 mA under the forward bias. The sensor had much higher sensitivity when operated in the diode mode than in the FET mode. The oxygen in the air could accelerate the desorption of the hydrogen and the recovery of the sensor.     

蓝宝石衬底上生长AlGaN/AlN结构的应变分析

采用低温和高温AlN复合缓冲层的方法在蓝宝石衬底上外延生长AlGaN/AlN结构,并进行了应变分析.通过X射线双晶衍射ω-2θ扫描曲线和拟合曲线分析发现,AlN是由两个不同弛豫度的应变缓冲层组成,弛豫度分别为96%和97.2%.AlN缓冲层在低温下不完全弛豫,导致高温下存在一个继续弛豫过程.X射线双晶衍射和透射光谱分析发现,AlGaN层Al组分由于未知的AlGaN弛豫度而无法确定.对AlGaN带隙公式和实验结果进行拟合,推算出弯曲系数为1.05 eV,这与已有文献相吻合.     

The effect of AlN/AlGaN superlattices on crystal and optical properties of AlGaN epitaxial layers

We investigate the effect of AlN/AlGaN superlattices (SLs) on crystal and optical properties of AlGaN epitaxial layers. The result indicates that the crystal quality of AlGaN layers is consistent within a wide range of SLs thicknesses, while the optical properties are opposite. With SLs thickness decreasing from 20/44 to 17/36 and 15/29 nm, the full-width at half maximum of X-ray rocking curves for (0002)-and (1012)-plane of n-AlGaN layers grown on SLs are consistent of around 250 arcsec and 700 arcsec, respectively. Meanwhile, the center of the low optical transmittance band decreases from 326 to 279 nm and less than 266 nm as the SLs thickness decreases. 280 nm deep ultraviolet light-emitting diodes (DUV-LEDs) structures are further regrown on the n-AlGaN layers. The electroluminescent intensities of samples are 30% higher than that of the sample whose low optical transmittance band appears around 279 nm. Optical simulations reveal that the SLs acts as distributed Bragg reflectors, thus less photons of the corresponding wavelength escape from the sapphire backside.     

磁控溅射AlN介质MIS栅结构的AlGaN/GaN HEMT

报道了一种X波段输出功率密度达10.4W/mm的SiC衬底AlGaN/GaN MIS-HEMT。器件研制中采用了MIS结构、凹槽栅以及场板,其中MIS结构中采用了磁控溅射的AlN介质作为绝缘层。采用MIS结构后,器件击穿电压由80V提高到了180V以上,保证了器件能够实现更高的工作电压。在8GHz、55V的工作电压下,研制的1mm栅宽AlGaN/GaN MIS-HEMT输出功率达到了10.4W,此时器件的功率增益和功率附加效率分别达到了6.56dB和39.2%。     

MOCVD于高温AlN模板上生长的AlGaN材料

A high temperature AlN template was grown on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition.AFM results showed that the root mean square of the surface roughness was just 0.11 nm.Optical transmission spectrum and high resolution X-ray diffraction（XRD）characterization both proved the high quality of the AlN template.The XRD（002）rocking curve full width at half maximum（FWHM）was about 53.7 arcsec and（102）FWHM was about 625 arcsec.The densities of screw threading dislocations（TDs）and edge TDs wereestimated to be - 6 × 10^6 cm^-2 and - 4.7 ×10^9 cm^-2. AlGaN of Al composition 80.2% was further grown on the AlN template. The RMS of the surface roughness was about 0.51 nm. XRD reciprocal space mapping was carried out to accurately determine the Al composition and relaxation status in the AlGaN epilayer. The XRD （002） rocking curve FWHM of the AIGaN epilayer was about 140 arcsec and （102） FWHM was about 537 arcsec. The density of screw TDs was estimated to be - 4 × 10^7 cm^-2 and that of edge TDs was - 3.3 × 10^9 cm^-2. These values all prove the high quality of the AlN template and AlGaN epilayer.     

表面态对AlGaN/GaN异质结构中二维电子气的影响

基于静电学分析,得出表面态是电子的一个重要来源.基于这一分析,可以解释已发表的关于二维电子气(2DEC)的大量数据.例如,2DEG密度随着AlGaN层厚度、Al组分的变化的原因.当A10.3Ga0.7N/GaN结构中生长一层5 nm厚的GaN冒层时,2DEG浓度由1.47×1013cm-2减少到1.20×1013cm-2,减少是由于表面类施主态离化减少.由于充分厚的GaN冒层导致GaN/AlGaN/GaN上界面形成二维空穴气(2DHG),所以在超出特定的冒层厚度时2DEG浓度达到饱和.     

表面处理对AlGaN欧姆接触的影响及机理

研究了溶液表面处理对AlGaN欧姆接触的影响及机理。用氟硝酸(HNO3+HF)、稀盐酸(HCl)和硫代乙酰胺(CS3CSNH2)溶液处理AlGaN表面后,Ti/Al/Ti/Au电极的比接触电阻率有显著的降低。样品表面Ga3d与O1s的X射线光电子能谱(XPS)测试结果显示:氧元素含量明显降低,表明这三种溶液可以有效地去除AlGaN表面氧化层,其中CS3CSNH2效果最佳;Ga3d峰位在表面处理后发生蓝移现象,相当于AlGaN表面处的费米能级向导带一侧移动,使电子在隧穿过程中的有效势垒高度降低。以上两个因素均对优化AlGaN/GaN欧姆接触有十分重要的意义。     

ICP腔室压力对AlGaN表面刻蚀损伤的影响

对高Al组分AlxGa1-xN(x=50％)进行了ICP刻蚀实验研究,在刻蚀深度相同的前提条件下,对比分析了ICP腔室压力与AlGaN表面损伤之间的相互关系,并讨论了低温热退火对ICP刻蚀损伤的修复作用.XPS测试结果表明,与未经刻蚀的AlGaN表面相比,ICP刻蚀之后的AlGaN表面其表面氮空位VN明显增多,且Al2p、Ga3d等峰位均向高结合能方向漂移.分析讨论发现,ICP腔室压力过小或过大均不利于获得低损伤的刻蚀表面,此外,低温热退火(380℃-200s)对表面氮空位有一定的修复作用,但修复效果较为有限.