AlInN/GaN异质结的制备及其性质研究

摘要

近年来,GaN基器件的研究受到了越来越广泛的关注,AlGaN/GaNHEMT的研究也有了突飞猛进的进展,但是由应力产生的压电效应问题一直限制着AlGaN/GaNHEMT材料和器件的发展。
　　 相对于AlGaN的受限,Al1-xInxN在x取0.17时,可以与GaN的晶格实现完美匹配,从而在理论上减少界面缺陷,消除应力效应,避免压电极化,具有更高的载流子浓度,以及更高的可靠性。此外,AlN材料具有极高的居里温度(＞1000℃),也预示着AlInN/GaN异质结比AlGaN/GaN具有更高的化学和热学稳定性,从而改善表面不稳定控制,减少极化偶极子诱导沟道。
　　 虽然相较于研究较为成熟的AlGaN材料,AlInN材料具有更优良的性能,但是由于高质量的AlInN薄膜难以生长,因此关于AlInN材料和器件的相对研究较少。就目前研究而言,如何制备高质量的AlInN薄膜是研究难点。本文使用MOCVD方法,制备了Al1-xInxN/GaN异质结,并研究了不同生长条件下薄膜的结构、表面形貌和成分组成等性质。
　　 本论文的研究工作和研究成果如下:
　　 1、采用MOCVD方式,以纯度为99.9999％的三甲基镓TMGa[Ga(CH3)3]作为Ga源,采用纯度为99.9999％的高纯NH3作为N的提供者,纯度为99.9999％高纯N2作为源载气,改变缓冲层生长时间(1min,3min,5min)、反应温度(900℃,950℃,1000℃,1050℃)和Ⅴ-Ⅲ族比例(1000、1300、1800)等生长条件,在α-Al2O3(0001)衬底上生长GaN薄膜。通过X射线衍射表征的薄膜结构性质,我们得出,缓冲层生长时间为5min,薄膜生长温度为1050℃,Ⅴ-Ⅲ族比为1800时,得到的GaN薄膜结晶质量最好。较厚的缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心,释放了GaN和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力,更有利于薄膜的生长。同时,Ⅴ-Ⅲ族比例越大,薄膜的横/纵向生长速率比越大,能够更好的横向生长出高质量的GaN薄膜。
　　 2、采用MOCVD方式,以纯度为99.9999％的三甲基铝TMA[Al(CH3)3]做铝源,纯度为99.9999％的三甲基铟TMIn[In(CH3)3]做铟源,高纯NH3做氮化剂,纯度为99.9999％的氮气做载气,在蓝宝石(0001)面衬底上生长不同Ⅲ族有机源流量比(TMIn/(TMIn+TMA)=0.8,0.7,0.6,0.5)和反应温度(500℃、600℃、700℃)等一系列的高In组分Al1-xInxN薄膜。XRD测量结果表明,生长温度越高,薄膜晶格常数增大,薄膜的结晶质量越好,且薄膜生长的取向性与温度有关。XPS测量表明,随着温度的升高,In含量减少。结合XPS、XRD和SEM结果,In含量减少,薄膜结晶质量变好,结晶晶粒变小。可能是In能够促进薄膜的生长,所以In含量变少,结晶晶粒变小;而InN与蓝宝石衬底失配度较大,所以结晶质量变差。
　　 3、利用MOCVD方式,采用纯度为99.9999％的三甲基铝TMA[Al(CH3)3]作为铝源,纯度为99.9999％的三甲基铟TMIn[In(CH3)3]作为铟源,氮化剂是高纯NH3,载气是纯度为99.9999％的氮气,在GaN(0002)面生长Al1-xInxN/GaN异质结。通过改变氮化条件(有、无氮化层)、生长温度(500℃、600℃、700℃)、Ⅴ-Ⅲ族比例(1000、1500、2000)、Ⅲ族有机源比例(TMA/(TMIn+TMA)=0.6、0.7、0.8)等生长条件,生长了一系列异质结。结合XPS结果,氮化能够促进In的掺入。Ⅴ-Ⅲ族比例在1000～2000之间变化时,Ⅴ-Ⅲ族比越小,In的含量越大。In含量在一定范围内越多,越能够促进薄膜晶粒的生长。