铜单晶衬底上GaN薄膜的ECR-PEMOCVD低温生长研究

摘要

氮化镓（GaN）基半导体发光二极管（LED）的绝大多数衬底为蓝宝石（α-Al2O3），而α-Al2O3衬底具有价格昂贵、绝缘、导热性差、尺寸小（直径仅为2~4英寸）的缺点。与α-Al2O3衬底相比，一些金属衬底具有廉价、导电、导热、大面积且反射率高的优点，金属衬底不但能够直接作为 LED的电极使用，而且有助于提升芯片散热性能和光反射作用，从而大大提升LED亮度。在自支撑的全金属衬底上，制备垂直导电结构的GaN基LED，能彻底解决在α-Al2O3等绝缘衬底上制备的横向导电结构GaN基LED中存在的电流拥挤问题，提高 LED的功率，大大降低 LED的生产成本。因而在金属上制备GaN薄膜具有重要的研究意义。
　　从国内外的进展来看，在自支撑的金属衬底上直接生长 GaN薄膜的报导很少。其主要原因是常规金属有机物化学气相沉积（MOCVD）的生长温度高达1050℃左右，这使得很多金属衬底与 GaN薄膜产生有害的界面反应，高温沉积会加速金属粒子扩散至GaN薄膜中，难以生长高质量的GaN薄膜。因此在金属上制备GaN薄膜需要一种低温的生长方法。
　　本文使用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）低温生长设备，在自支撑的单晶Cu金属衬底上低温外延生长单一c轴取向的高质量GaN薄膜。实验以三甲基镓（TMGa）为镓源，氮气（N2）等离子体为活性氮源，通过氮等离子体与TMGa反应在单晶Cu衬底上生成GaN薄膜，重点研究控制缓冲层和生长层的TMGa流量对外延生长 GaN薄膜性能的影响，并给出优化的生长参数。用反射高能电子衍射（RHEED）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）光致发光谱（PL谱）以及电流—电压测试（I-V测试）等表征方法分析了GaN薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性能以及电学特性。其中，缓冲层沉积温度为300℃，其TMGa流量为1.1 sccm，生长时间30分钟，生长层沉积温度为450℃，其TMGa流量为1 sccm，生长时间3小时， GaN薄膜的质量最好，具有较好的晶体质量和较强的紫外发光峰；且GaN薄膜与金属Cu之间的接触特性为良好的欧姆接触。

目录

1 绪论

1.1 概述

1.2 GaN的发展历史

1.3 GaN的基本性质

1.4 GaN的衬底的选择

1.5 GaN在发光领域中的应用

1.6 本章小结

2 GaN薄膜制备的方法及影响GaN薄膜的因素

2.1 GaN薄膜的制备方法

2.2 影响薄膜生长的因素

2.3 本章小结

3 实验方法

3.1 实验设备

3.2 薄膜的表征方法

3.3 本章小结

4 缓冲层的TMGa流量对GaN薄膜质量的影响

4.1 不同TMGa流量下GaN缓冲层的制备

4.2 结果与讨论

4.3 小结

5 生长层的TMGa流量对GaN薄膜质量的影响

5.1 不同生长层TMGa流量下GaN薄膜的制备

5.2 结果与讨论

5.3 小结

结论

参考文献

致谢