硅基GaN材料的生长及其优化

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1、国密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文2013年05月ByZuoPengAThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofEngineeringInstituteofPhysicsMay,2013摘要GaN和其他的川簇氮化物(InN及AIN)以及它们组成的合金都是直接带隙半导体材料，

2、是制作发光二极管(LED)、激光器(LD)和光电探测器(PD)的优良材料；而且GaN基的半导体材料电子饱和漂移速度大，击穿电压高，耐高温，耐腐蚀，抗辐射，容易形成异质结，这使得它在微波电子器件领域也有着广泛的应用。目前GaN外延主要还是在异质衬底上生长，生长所用的衬底主要有蓝宝石衬底，sic衬底以及单晶si衬底；Si衬底因为其高导电，导热，衬底便宜，容易剥离等而受到研究者们的青睐，不过si衬底和GaN之间的巨大的晶格失配和热失配容易导致GaN表面出现裂纹，晶体质量难提高。本论文主要研究si衬底上GaN单晶薄膜的生长，并对生长的

3、GaN薄膜进行相关的表征，主要内容如下：1．研究了在Si衬底上外延生长GaN时常见的问题：裂纹，晶体质量差，Si扩散以及回熔。本论文针对这些问题在Si基GaN外延生长工艺上提出了一些改进，并通过光学显微镜观察以及XRD的表征来为进一步的工艺优化指导方向j主要涉及工艺上的优化包括Si衬底表面的预处理，预喷Al时间的优化，合适缓冲层的选择。光学显微镜观察以及XRD表征结果显示，这些工艺的优化对si基GaN薄膜晶体质量的提高，裂纹密度的减少十分有意义。2．研究了AIN层不同的V／川比对GaN晶体质量，应力，表面形貌等的影响。关于Ga

4、N的晶体质量，本论文通过XRD详细分析了GaN的倾斜角，扭转角，计算出螺位错密度和刃位错密度，并说明了不同V／⋯比是如何影响GaN的晶体质量；通过光学显微镜观察三个样品表面的裂纹情况；通过原子力显微镜来得出表面的粗糙度，最小的粗糙度为0．461nm；通过拉曼光谱来确定GaN内部的张应力大小。最后发现当v／川比为524时表面无裂纹，表面粗糙度最小，内应力最小，晶体质量最好。关键词：金属有机化合物气相沉积，Si(111)衬底，氮化镓，氮化铝，高分辩X射线衍射AbstractDirectgapgroupIII·nitridesemi

5、conductors(GaN，AIN，InN，InGaN，andA1GaNetc．)areanimportantsubjectofcurrentinvestigationsduetotheirpotentialapplicationsinlightemittingdiodes(LEDs)，laserdiodes(LDs)，solar-blindphotodiodes．Duetothesuperiorintrinsicpropertyofhighsaturationelectronvelocity，highbreakdownvo

6、ltage，highthermostability,availabilitytomakegoodheterostructureandSOon，theGaNbaSedmaterialsareverypromisingsemiconductormaterialsfortheirapplicationsinthefieldofmicro’waveelectronicdevices．Nowadays，GaNalwaysgrowonheterogeneoussubstrate，mostofwhichisthesapphiresubstr

7、ate,SiCsubstrateandsinglecrystalSisubstrate．ThesinglecrystalSisubstratehasattractedtheattentionofresearchersbecauseofitshighconductivity，thermalconductivity,lowprice,easinesstopeeloffetc．However,thegreatlatticemismatchandthermaImismatchbetlflfeenSisubstrateandGaNind

8、uceseasilythecracksandthedeteriorationofGaN．Inthisdissertation，wefocusonthegrowthofGaNonsi(1il)substrateandcharacterizesomerelatedfeatures