GaN薄膜在金属衬底Ti、Mo上的低温ECR-PEMOCVD生长及其性能影响机制研究

摘要

近年来，由于氮化镓(GaN)材料在光电子器件（半导体二极管LED、半导体激光器LD）和微电子器件（高温、大功率、高频晶体管）等方面有着广泛的应用而引起研究者的浓厚兴趣。众所周知，这是由于GaN具有直接宽带系(3.39eV)、高的电子漂移饱和速度及高的击穿电压等优良性能。基于含荧光层的InGaN/GaN多量子阱蓝光芯片和红绿蓝三色混合芯片的白色光源的获得，使GaN基器件有望在普通照明方面得到应用。但仍有一些问题有待进一步解决。
　　合适的衬底材料便是其中一个问题，众所周知，衬底材料对GaN基器件的性能影响巨大。目前制备GaN薄膜的衬底材料多选用蓝宝石(α-Al2O3)、碳化硅(SiC)或硅(Si)。但它们都存在一定的不足，α-Al2O3的导电和导热性能较差，并且与GaN之间晶格失配较大;SiC虽然在导电和导热等方面优于蓝宝石，但却制造困难且价格昂贵;Si具有价格低廉、易于解理、导电导热性能好以及便于大面积生产等优点，但Si材料与GaN热失配较大，GaN薄膜的龟裂问题一度难以攻克。
　　近年来，有研究者尝试在金属衬底上制备GaN薄膜。金属材料具有良好的导电性与导热性、价格低廉、便于大面积生产及兼有反光作用等优点，这些都有望在一定程度上改善器件的散热及发光效率。更重要的是，金属可以直接作为电极，以实现后续的GaN基器件中电流的垂直传输，在制造工艺上比激光剥离(Laser Lift-Off)和金属键合等技术要简单。因此，直接在金属上沉积GaN薄膜具有重大的研究意义。
　　本文以金属钛(Ti)和钼(Mo)作为衬底材料，采用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)技术，分别以三甲基镓(TMGa)和高纯N2作为Ga源和N源，低温沉积出高度c轴择优的GaN薄膜。传统的MOCVD工艺通常采用1050℃左右的高温，这么高的温度必定会引起严重的界面反应以及GaN与衬底之间巨大的热应力，从而严重影响后续GaN基器件的性能。本文采用的ECR-PEMOCVD设备以ECR等离子体活化技术，在低气压下产生非平衡等离子体，提供高活化的N离子，大大降低了沉积温度。
　　本文采用反射式高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、室温光致发光谱（PL谱）以及电流-电压测试（I-V测试）等多种表征手段，重点研究了沉积温度和TMGa流量对GaN薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性能以及电学特性的影响。实验结果表明:Ti衬底上GaN薄膜的最佳沉积温度为480℃，最佳TMGa流量为1.4sccm，最佳条件制备的GaN薄膜具有较好的晶体质量、均匀致密的薄膜表面，较弱的光致发光，GaN薄膜与Ti衬底之间显示肖特基接触特性。Mo衬底上GaN薄膜的最佳沉积温度为570℃，最佳TMGa流量为1.6sccm，在最佳条件下制备的GaN薄膜沿c轴择优生长，晶体质量较高，表面较为致密平整，具有较强的光致发光，GaN薄膜与Mo衬底之间显示肖特基接触特性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 GaN的基本性质

1．1．1 GaN的物理性质

1．1．2 GaN的化学性质

1．1．3 GaN的光学性质

1．1．4 GaN的电学性质

1．2 GaN薄膜衬底材料的选择

1．2．1 蓝宝石(α-Al2O3)衬底

1．2．2 碳化硅(SiC)衬底

1．2．3 硅(Si)衬底

1．2．4 金属衬底

1．3 GaN的应用领域

1．3．1 光电器件

1．3．2 高频高功率电子器件

1．4 本文研究的意义与研究内容

2 GaN的生长与表征方法

2．1 GaN薄膜制备技术

2．1．1 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)

2．1．2 分子束外延(MBE)

2．1．3 脉冲激光沉积(PLD)

2．1．4 氢化物气相外延(HVPE)

2．2 实验设备

2．3 表征手段

2．3．1 薄膜的晶体结构分析

2．3．2 薄膜的表面形貌分析

2．3．3 薄膜的光学特性分析

2．3．4 薄膜的电学特性分析

3 沉积温度对GaN薄膜性能的影响

3．1 沉积温度对GaN／Ti薄膜的性能影晌研究

3．1．1 实验过程及参数

3．1．2 实验结果与分析

3．1．3 小结

3．2 沉积温度对GaN／Mo的性能影响研究

3．2．1 实验过程及参数

3．2．2 实验结果与分析

3．2．3 小结

4 TMGa流量对GaN薄膜性能的影响

4．1 TMGa流量对GaN／Ti薄膜的性能影响研究

4．1．1 实验过程及参数

4．1．2 实验结果与分析

4．2 TMGa流量对GaN／Mo薄膜的性能影响研究

4．2．1 实验过程及参数

4．2．2 实验结果与分析

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢