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4英寸GaN衬底MOCVD外延高质量AlGaN/GaN HEMT材料研究分析高 楠 房玉龙* 王 波 张志荣 尹甲运 芦伟立 陈宏泰 牛晨亮（河北半导体所）摘 要：本文对金属有机物化学气相淀积法在4英寸GaN衬底上生长出的高质量AlGaN/GaN HEMT外延材料进行了研究分析。
生长过程采用NH3/H2混合气体及H2交替通入的方法对衬底表面进行了预处理，阻隔了界面杂质的扩散。
得益于衬底与外延的高度晶格匹配，GaN材料的螺位错密度降低到1.4×107cm-2，刃位错密度降低到3.0×106cm-2；非接触霍尔测试仪结果显示二维电子气迁移率为2159 cm2/V·s ，说明制备的材料晶体质量高且电学性能优异。
此外，由于衬底与外延之间不存在热失配，使用拉曼光谱仪发现同质外延的GaN E2（TO）峰位与衬底的E2（TO）峰位完全重合，表明同质外延过程中无应力应变产生。
关键词：GaN衬底，AlGaN/GaN HEMTStud y of High-quality AlGaN/GaN HEMT Homo-epitaxial Material on4-inch GaN Substrate by MOCVDGAO Nan FANG Yu-long* WANG Bo ZHANG Zhi-rong YIN Jia-yun LU Wei-liCHEN Hong-tai NIU Chen-liang（Hebei Semiconductor Research Institute）Abstract:High-quality AlGaN/GaN HEMT homo-epitaxial material grown on 4-inch GaN homo-substrate by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) was studied in this paper. An alternation gas model of ammonia/ hydrogen (NH3/H2) mixed gas and H2 gas was employed to thermal treatment of GaN homo-substrate to prevent the spread of impurities. Due to the match of lattices, the density of screw dislocation was as low as 1.4×107cm-2 and the density of edge dislocation reached 3.0×106cm-2. The contactless Hall test results showed that the AlGaN/GaN HEMT material had a two-dimensional electron gas (2DEG) mobility of 2159 cm2/V•s, indicating that the homo-epitaxial AlGaN/GaN HEMT material has high quality and good electrical performance. In addition, thanks to the absent thermal mismatch during the growth, the Raman spectrum test manifested that the peak positions of E2-high for GaN homo-substrate and the epitaxial material were totally coincident, showing that there was no strain in the homo-epitaxial growth.Keywords: GaN substrate, AlGaN/GaN HEMT作者简介：高楠，硕士，工程师，主要研究方向为宽禁带半导体材料生长及相关技术。
gan异质结晶格失配概述说明1. 引言1.1 概述本文旨在对gan异质结晶格失配进行概述与说明。
GaN材料作为一种重要的宽禁带能隙半导体材料，在光电子器件、光通信和高功率电子器件等领域具有广泛的应用前景。
然而，正如其他异质结构材料一样，GaN异质结晶格之间存在着失配问题。
当两个晶格参数不完全匹配时，其中一个晶格在界面处会发生畸变，从而导致材料性能的改变和缺陷的形成。
因此，理解和研究GaN异质结晶格失配现象的特点和机制对于优化材料性能至关重要。
1.2 文章结构本文分为五个主要章节。
首先在引言部分进行了整体概述和背景介绍。
接下来，在章节1中讨论了GaN异质结晶格失配问题的具体要点，包括相关定义、失配度量以及对材料性能影响的机制。
随后，在章节2中进一步深入探讨了解析模型和数值模拟方法在研究GaN异质结晶格失配方面的应用。
在第三章中，针对失配问题引起的晶格缺陷及其对材料性能影响进行了深入研究。
最后，在结论部分总结了本文的主要内容，并提供了进一步研究和应用该领域的展望。
1.3 目的本文的目的是系统地概述和说明gan异质结晶格失配问题。
通过全面介绍相关概念、测量方法和模拟技术等方面的内容，希望读者能够全面了解gan异质结晶格失配现象及其对材料性能的影响。
同时，本文还旨在为相关领域的研究者提供参考和启发，促进该领域未来更深入、更广泛的研究与应用。
2. 章节1:2.1 要点1:GaN异质结晶格失配是指在GaN材料的生长过程中，由于衬底材料和外延层材料的晶格常数不匹配而引起的应变。
晶格失配是一种普遍存在于异质结构中的现象，它会对材料的物理性能产生重要影响。
在GaN异质结构中，当衬底材料和外延层材料的晶格常数之间存在差异时，就会导致晶格失配。
这种失配会导致应变在两个材料界面附近集中，并且以不同形式表现出来。
通常情况下，其中一种形式是较大的相对位移或错位，在界面处形成了构筑限制，并引起了缺陷。
2.2 要点2:GaN异质结晶格失配可以通过多种方法进行研究和评估。
gan位错密度与厚度关系
在氮化镓（Gallium Nitride，GaN）薄膜中，位错密度与厚度之间的关系是一个复杂的问题，它受到多种因素的影响。
GaN薄膜通常用于半导体器件，而其中的位错密度对器件性能有重要影响。
以下是一些可能影响GaN位错密度与厚度关系的因素：
1．生长技术:使用不同的生长技术（例如金属有机化学气相沉积，MOCVD或分子束外延，MBE等）可能导致不同的位错密度与厚度关系。
生长技术的选择会影响晶格匹配和缺陷生成的概率。
2．衬底质量:基础衬底的质量对GaN薄膜的生长有重要影响。
优质的衬底有助于减少位错的产生。
3．温度和生长速率:生长温度和速率也是影响位错密度的因素。
高生长温度和较高的生长速率可能增加位错密度。
4．晶格不匹配:如果衬底和GaN之间存在较大的晶格不匹配，可能导致位错的形成。
精心选择衬底和调整生长条件可以减少这种不匹配。
5．后处理技术:采用一些后处理技术，例如热处理或其他退火工艺，可能有助于减少位错密度。
总体而言，GaN位错密度与厚度之间的关系是一个复杂的问题，需要在具体的实验条件下进行研究。
蓝宝石衬底、LED衬底“四剑客”布局如哪般！来源微信公众号：蓝宝石材料蓝宝石材料资讯公众号，每天晚上10点左右推送，都是精华内容哦。
目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石（Al2O3）、SiC和Si，Cree公司用SiC为衬底，东芝公司宣布8″的硅衬底生长LED将于2013年产业化，其余的大部分以蓝宝石为主。
全球生产蓝宝石衬底有130多家，其中有80多家是近两年加入的。
2012年的需求量约9600万片（以2″计算），其中蓝宝石图形化衬底（PSS）占70%~80%，目前仍以2″和4″衬底片为主，由于同样面积的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以预测几年后将以6″为主。
由于生产能力过大，供大于求，致使蓝宝石晶片价格大幅度下降，大约为每片7~8美元。
在蓝宝石晶体生长上大部分采用A轴向生长，取出C轴向的晶片，材料利用率过低，2″为35%左右，6″约为20%。
据有资料显示：采用CHES法直接按C轴向生长，材料利用率可达75%，而且减少了张力和应力，从而降低了衬底晶片的弯曲度和翘曲度，因此，极大提高了蓝宝石衬底的生产效率、晶片质量及降低成本。
近几年全球正在研究很多LED的新衬底，取得了很大成果。
中国生产蓝宝石衬底的企业约50家，其中已投产约30家左右，生产能力已达1亿片/年（以2″计算），超过全球的需求量。
而且由于蓝宝石企业直接生产PSS衬底的不多，企业的竞争力较差，企业走向转型、整合、兼并是必然的。
另外，还有山东华光采用SiC衬底生长LED，南昌晶能采用6″的Si衬底生长LED，均取得较好成果。
蓝宝石衬底（1）图形衬底衬底是支撑外延薄膜的基底，由于缺乏同质衬底，GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。
发展至今，蓝宝石已经成为性价比最高的衬底，使用最为广泛。
由于GaN的折射率比蓝宝石高，为了减少从LED出射的光在衬底界面的全发射，目前正装芯片一般都在图形衬底上进行材料外延以提高光的散射。
摘要第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景，目前制备GaN的方法主要有分子束（MBE）、氯化物气相外延（HVPE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。
本文介绍了MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长GaN材料并利用其无掩模横向外延生长GaN 薄膜与同样生长条件下，在未经腐蚀预处理的蓝宝石衬底上外延的GaN 薄膜进行对比测试[1]。
测试分析结果表明，经过腐蚀预处理的GaN 衍射峰的半峰宽及强度、表面平整度、腐蚀坑密度都明显优于未经腐蚀预处理的GaN 薄膜，使原有生长条件下GaN薄膜位错密度下降50%。
并且通过Hal l 测试、x 射线双晶衍射结果、室温PL 谱测试[2]成功地制备出GaN单晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步测试结果。
测试研究发现增加缓冲层厚度、多缓冲层结构可以有效地降低位错密度、提高薄膜质量，其中通过中温插入层结构实验获得了质量最好的GaN 外延层[3]。
关键字：GaN MOCVD 蓝宝石衬底预处理缓冲层外延生长STUDY OF EPITAXIAL LATERAL OVERGROWTH OF GALLIUM NITRIDE ON SAPPHIRE BYMOCVDByHaiqing JiangSupervisor: Prof.Xianying DaiABSTRACTGallium-nitride-semiconductor offers good potential value for application in a wide range of optical display, optical recording and illumination due to its excellent quality. At present, molecular beam epitaxity (MBE), Chloride vapor phase epitaxy (HVPE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used to prepare GaN.This text introduces overgrowth of Gallium-nitride on sapphire by MOCVD and compares the result with that on non-corrode sapphire. The results proved that thinner full-width at half- maximum(FWHM)，higher intensity value of X-ray diffraction，smoother surface and lower density value of the etching pit were received using patterned substrate, which made sure that under the same growth process the density of the dislocations decreased 50%.After that, it also uses Hall Test, X-ray macle diffraction Test, and PL Spectrum Test under room temperature to check the GaN thin-film material. The results showed that multi-buffer-layer structure could decrease the density of the dislocations and improve the quality of the crystal structure. The GaN epilayer with Intermediate-Temperature insert layer had the best results of all the samples.KEY WORDS: GaN MOCVD surface pretreatment on sapphire substrate cushion epitaxial growth第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性1.2现有的GaN 基化合物的制备技术1.3GaN 现有制备技术对比第二章 MOCVD 中影响成膜因素第三章蓝宝石衬底表面预处理3.1蓝宝石衬底与处理的原因3.2实验探究与结果分析第四章研究缓冲层结构及其改进4.1传统缓冲层及其局限4.2实验探究及其结果分析第五章GaN 薄膜的生长研究5.1GaN材料的生长5.2生长的GaN 材料的测试结果第六章结论致谢参考文献第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性GaN 首先由Johnson 等人合成，合成反应发生在加热的Ga 和NH3 之间，600~900℃的温度范围，可生成白色、灰色或棕色粉末(是含有O 或未反应的Ga 所致)[4]。
LED蓝宝石图形化衬底制备工艺研讨摘要：随着社会经济的不断发展，能源的需求量不断增加，为了能够将有效降低能源的损耗，实现能源的可持续发展目标，我国对于节能环保事业的发展尤为的关注。
基于科学技术的发展，我国在照明领域开展的环保事业发展取得了一定的成就。
例如LED的研发和应用，其在使用的过程中不仅节能环保，同时也体积比较小，且功能时效时间比较长，与普通的照明源对比来讲更具有发展前景。
经过技术研发人员的不懈努力，找到了一种能够有效提升LED出光率的新技术，即通过蓝宝石图形化衬底实现LED高出光率的目标，为LED广泛应用于多个领域地奠定了坚实的基础。
本文通过对蓝宝石图形化衬底提升LED出光率的机理、表面微结构对LED发光率的影响进行了分析，并探讨了LED蓝宝石图形化衬底的制作过程。
关键词：LED；蓝宝石图形衬底；制备工艺引言：随着物质生活水平的提升，社会群众对于环保节能产业的发展也越发地关注，只有合理控制能源的消耗，才能够有效地提升能源和生态环境可持续发展的潜力。
环保节能在各行各业的发展中都是非常重要战略目标。
在照明领域最显著的发展便是LED的发展与应用，因为其具备良好的性能，尤其在环保节能方面表现出来的优势得到了社会群众的认可，所以被推广到很多的领域的实际应用当中，例如用于一般的照明、LCD背光源等。
随着蓝宝石图形化衬底制备工艺的不断发展，让LED制备白光逐渐成了现实，对于LED的进一步推广和应用有着非常显著的作用。
值得一提的是，LED虽然作为一种特别的固态光源与当前的社会环境倡导节能减排的理念具有极高的契合度，但是在LED实际的发展与应用中还是存在着一些问题，只有技术研发人员加强对LED的创新和优化，才能够为LED的广泛应用，在照明领域代替当前的所使用的传统光源。
为环保节能社会的建设提供良好的支持。
1.LED蓝宝石图形化衬底提高GaN基LED出光率的作用机理1.1降低GaN外延层位错密度在LED衬底材料中蓝宝石所具备的机械性能、可靠性以及易控制特性远超过其他的衬底材料，如单晶硅、单晶碳化硅等。
第26卷 第8期2005年8月半 导 体 学 报CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORSVol.26 No.8Aug.,20053广东省关键领域重点突破基金资助项目(批准号:2B2003A107) 朱军山 男,1962年出生,博士研究生,研究方向为Si (111)衬底上MOCVD 生长高质量GaN 薄膜及其研究. 徐岳生 男,1935年出生,教授,博士生导师,目前从事晶体生长和缺陷研究. 2004211202收到,2005202202定稿Ζ2005中国电子学会Si(111)衬底上生长的G a N 的形貌与Al N 缓冲层生长温度的关系3朱军山1,2 徐岳生1 郭宝平2 刘彩池1 冯玉春2 胡加辉2(1河北工业大学材料学院,天津 300130)(2深圳大学光电子学研究所光电子器件与系统教育部重点实验室,深圳 518060)摘要:利用L P 2MOCVD 技术在Si (111)衬底上,用不同温度生长AlN 缓冲层,再在缓冲层上外延G aN 薄膜.采用高分辨率双晶X 射线衍射(DCXRD )技术和扫描电子显微镜(SEM )分析这些样品,比较缓冲层生长温度对缓冲层和外延层的影响,并提出利用动力学模型解释这种温度的影响.进一步解释了GaN 外延层表面形貌中“凹坑”的形成及“凹坑”与缓冲层生长温度的关系.结果表明,温度的高低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.关键词:MOCVD ;GaN ;缓冲层PACC :6855;7155G;6800中图分类号:TN304123 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)08215772051 引言以GaN 为基础的Ⅲ2Ⅴ族氮化物是制造从可见光到紫外光发光器件的主要发光材料[1].由于缺少GaN 体衬底,GaN 材料通常通过异质外延获得,而蓝宝石是异质外延GaN 最常用的衬底材料.但是蓝宝石的制作和加工十分困难,很难与现有的半导体技术和设备兼容,使成本居高不下,人们转而研究用Si 片代替蓝宝石作为外延GaN 的衬底,进而制造发光二极管.部分研究机构已取得重大突破,如日本公司已通过Si 片衬底外延GaN 制造出的发光二极管,亮度为同时期蓝宝石上外延GaN 制作的发光二极管的一半[2].硅与GaN 的热失配和晶格失配会极大降低外延层质量,如晶格失配会在Si 与外延层的交界区出现大量的失配位错,这些位错有一部分会延伸到外延层表面,使外延层表面的位错密度加大,从而影响外延层质量.一般认为缓冲层对外延层的生长质量和表面形貌起决定作用.人们对不同的缓冲层下Si 表面外延GaN 做了研究[3],取得了不同的效果.2003年,Hu等人对Si (111)上生长的GaN 的微观结构进行了研究[4],通过高分辨率SEM 图像观察,分析Si 和AlN 交界面无定形层的形成,认为这层无定形层不是在生长缓冲层时形成,而是在外延GaN 时随着外延层的厚度增加,应力的积聚而形成.2003年,K im 等人在Si (111)上用550℃生长的L T 2AlN 作缓冲层生长出厚度超过1μm 而无开裂的GaN 外延层[5].他们认为,L T 2AlN 生长时是无定形的,但是在后来升温到外延层生长温度的过程使它重新结晶.L T 2AlN 通过形成弯曲的畴界使应力释放,因此GaN 外延层初始阶段可在无应力下生长,使外延层不出现开裂.2004年,陆敏等人研究了多缓冲层外延结果,发现多层缓冲层外延质量优于单层缓冲层[6].2004年,王军喜等人用Si/SiO 2/Si 柔性衬底外延GaN ,认为柔性衬底可以有效防止外延层的开裂[7].张宝顺等人采用插入层来减少外延层的开裂,成功实现半 导 体 学 报第26卷了无开裂GaN的MOCVD外延生长[8].本研究通过对不同温度生长的缓冲层(1000, 1040,1060,1080℃)的比较,得出温度对GaN外延生长质量和表面形貌的影响,并提出生长模型解释在外延生长过程中温度如何影响外延层,在其他参数不变的情况下温度的变化如何影响表面形貌,并用SEM观察和验证了这种影响.2 实验实验使用的设备是Thomas Swan的L P2 MOCVD.该设备为垂直式,即气流与硅片平面是垂直的,一次可装三片.生长前对硅片的预处理程序如下:去离子水漂洗硅片;丙酮浸泡超声波去脂10min;用去离子水反复漂洗;用H2SO4∶H2O2=3∶1溶液在80℃下煮10min;用5%H F溶液浸泡10～30s;最后用去离子水反复冲洗5min.上述流程完成后将硅片用N2气吹干,迅速放入氮气环境中的LOAD BOX或者G LOV E BOX,以免氧化或沾污.在Si(111)衬底上生长GaN薄膜,分别以三甲基镓(TM Ga)、三甲基铝(TMAl)作为Ga源和Al 源,以高纯N H3气为氮源,氢气为载气.外延生长过程如下:先在1100℃H2气氛中氢化10min,以除去硅片表面氧化层;接着分别在1000,1040,1060, 1080℃下生长AlN缓冲层,调整缓冲层的生长时间使缓冲层厚度为20nm左右.样品在生长完AlN缓冲层之后,再升温到1040℃生长GaN,厚度约为016μm.整个生长过程压力始终保持在1133×104Pa.其他生长条件:经过优化,缓冲层生长时的气源流量为N H3∶TMAl=2500∶30sccm,托盘的转速为100r/min;外延层生长时气源流量是N H3∶TM2 Ga=5000∶30sccm,托盘的转速保持不变.用高分辨率X射线双晶衍射仪(DCXRD)分析GaN的结晶质量,用扫描电子显微镜(SEM)分析表面形貌.DCXRD设备为P HIL IPS公司生产的PW3040/00产品,该设备采用Cu2Kα1旋转辐射靶源(λ=0115405nm),Ge(004)为单色仪,Si(220)作为分析晶体;SEM是日本J EOL公司的J SM2 5910LV产品.3 结果及讨论GaN外延层的生长初期决定后期的生长质量,这意味着缓冲层的表面形貌和生长质量对获得高质量的外延层十分重要.质量差的缓冲层会生成非结晶的“种子”,同时使结晶的“种子”的生长方向偏离Si衬底[9],因而导致较差的结晶质量.在缓冲层生长后,只有结晶的“种子”能连续生长,非结晶的“种子”停止生长.一旦缓冲层中“种子”形成,也就形成了一层包含许多缺陷的过渡层,该过渡层可容纳外延层与衬底的晶格失配.缓冲层的基本作用是提供与衬底晶格相同的成核中心和降低交界面的自由能,因此缺陷密度大大下降,在过渡区上面才可形成高质量的外延层.我们用SEM对不同温度生长AlN缓冲层后再生长GaN的样品表面进行扫描,分别得到编号为1,2,3,4的四块样品的照片.图1,2, 3,4分别对应缓冲层生长温度1000,1040,1060, 1080℃的样品.由图可知,当温度在1000～1060℃之间时,GaN表面形貌没有大的变化,均是致密的,没有凹坑,但都有开裂;当生长温度达到1080℃时,外延层表面出现明显的凹坑,但是表面没有开裂.图1 样品1的SEM扫描图(1000℃)Fig.1 SEM image of sample1(1000℃)图2 样品2的SEM扫描图(1040℃)Fig.2 SEM image of sample2(1040℃)图5为四种样品的DCXRD衍射峰,(a),(b), (c),(d),分别对应样品1,2,3,4.样品1,2,4的8751第8期朱军山等: Si (111)衬底上生长的G aN 的形貌与AlN缓冲层生长温度的关系图3 样品3的SEM 扫描图(1060℃)Fig.3 SEM image of sample3(1060℃)图4 GaN 样品4的SEM 扫描图(1080℃)Fig.4 SEM image of sample4(1080℃)FWM H 分别为0144,0133,0141°,而样品3的FWM H 为0121°,可见在1060℃下生长出的GaN有最完美的结晶,这也就是为什么许多研究通常选用1060℃作为缓冲层生长温度[10]的原因.图1～3有几乎相同的表面形貌,都是非常致密的颗粒状,而图4则被认为是颗粒通过一段时间生长后与相邻的颗粒相接后形成的,相交接的部分形成了凹坑.这种凹坑会随着外延层厚度的增加而减少,因为越来越多的凹坑被生长的GaN 填满.这也可以解释为什么当生长厚度越大时,表面的缺陷越少.我们认为外延过程按下列规律完成:(1)TM Ga 扩散到N H 3中,形成加合物TM Ga ∶N H 3;(2)TM Ga ∶N H 3扩散到衬底表面;(3)TM Ga ∶N H 3在衬底表面因高温而分解成Ga 和N 原子或Ga 2N 基,并入AlN 晶格,其他原子以碳氢化合物形式排出反应室.生长过程的物理模型如下:(1)起始原子团并入缓冲层晶格,如图6(a );(2)起始原子团不断吸收新的原子团而增大,形成一个一个独立的岛,如图6(b );图5 GaN 外延层的DCXRD 衍射峰(0002) (a )样品1;(b )样品2;(c )样品3;(d )样品4Fig.5 DCXRD curves (0002)of GaN (a )Sample1;(b )Sample2;(c )Sample3;(d )Sample4(3)岛相互交接形成凹坑,如图6(c );(4)外延层厚度增大时,凹坑越来越小,最后形成平整的外延层表面.现在用上述机理解释样品1,2,3,4的形貌.在温度较低时,衬底表面气体分子团到达衬底后因没9751半 导 体 学 报第26卷图6 外延生长过程示意图 (a)起始原子团;(b)形成岛;(c)形成凹坑Fig.6 Epilayer grown processes (a)Initial atom groups;(b)Islands appeared;(c)Islands merged有足够的能量而被“冻结”在表面,因此外延生长是靠这种均匀分布的高密度的细小分子团完成,外延后的表面是均匀致密的;而温度较高时,到达衬底表面的分子有足够的能量在衬底表面运动,聚合成大的分子团,因此外延生长是大的“颗粒”成长而成,形成未填满的凹坑.4 结论本文在Si(111)衬底上,以高温AlN作为缓冲层,外延生长GaN薄膜.采用DCXRD和SEM分析了GaN薄膜,解释了SEM图像中凹坑的形成原因为:(1)表面出现的凹坑是由于起始生长岛增大后相互汇合形成的;(2)缓冲层外延的温度通过影响起始原子团的密度来影响表面形貌.通过建立的生长模型分析外延形貌中出现的特征,可指导选择实验参数.参考文献[1] Hu Guiqing,K ong Xiang,Wan Li,et al.Defect s in GaN filmsgrown on Si(111)substrates by metal2organic chemicalvapour phase deposition.Chin Phys Lett,2003,20(10):1811 [2] Wen Shangsheng.Progress in t he study of hign brightnessblue GaN2based L EDs.Chinese Journal of Quantum Electron2ics,2003,20(1):10(in Chinese)[文尚胜.高亮度GaN基蓝色L ED的研究进展.量子电子学报,2003,20(1):10][3] Hageman P R,Haffouz S,K irilyuk V,et al.High quality GaNlayers on Si(111)substrates:AlN buffer intermediate layer.Phys Status Solidi A,2001,188(2):523[4] Hu G Q.Microstructure of GaN films grown on Si(111)sub2strates by metalorganic chemical vapor phase deposition.JCryst Growt h,2003,256:416[5] K im Min Ho,Do Y oung Gu,Kang Hyon Chol,et al.Growt hof crack2free high2quality GaN on Si(111)using a low2tem2perature AlN interlayer:observation of tilted domain struc2tures in t he AlN interlayer.Phys Status Solidi C,2003:2150 [6] Lu Min,Fang Huizhi,Li Zilan,et al.Multi2buffer layers effecton characteristic of GaN grown by MOCVD.Chinese Journalof Semiconductors,2004,25(5):526(in Chinese)[陆敏,方慧智,黎子兰.多缓冲层对MOCVD生长的GaN性能的影响.半导体学报,2004,25(5):526][7] Wang J unxi,Wang Xiaoliang,Liu Hongxin,et al.GaN grownon Si and Si2SiO22Si compliant substrate.Chinese Journal ofSemiconductors,2004,25(6):678(in Chinese)[王军喜,王晓亮,刘宏新,等.Si衬底和Si2SiO22Si柔性衬底上的GaN生长.半导体学报,2004,25(6):678][8] Zhang Baoshun,Wu Mo,Chen J un,et al.Crack2free GaN filmgrown on Si(111)by MOCVD.Chinese Journal of Semicon2ductors,2004,25(4):410(in Chinese)[张宝顺,伍墨,陈俊,等.Si(111)衬底无微裂GaN的MOCVD生长.半导体学报,2004,25(4):410][9] Shin H Y,Yang C W,J ung S H,et al.A study on 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DCXRD and SEM are used to characterize the G aN films.The dependence of G aN morphology on the growth temperature of the AlN buffer layer is analyzed.Furthermore,a kinetics model is used to explain the“cave”formation mechanism.It is suggested that growth temperature of the AlN buffer layer influences GaN morphology by forming different AlN seed size and density on the Si(111)substrate during the initial growth of the buffer layer.K ey w ords:G aN;MOCVD;buffer layerPACC:6855;7155G;6800Article ID:025324177(2005)08215772053Project supported by Key Breakt hrough Foundation of Guangdong Province(No.2B2003A107) Zhu J unshan male,was born in1962,PhD candidate.He is engaged in research on MOCVD epitaxy GaN on Si substrate. Xu Yuesheng male,was born in1935,professor.He is engaged in research on crystal growt h and crystal defect s. Received2November2004,revised manuscript received2February2005Ζ2005Chinese Institute of Electronics。
氮化镓同质外延层位错密度比较氮化镓（GaN）是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景，特别是在高功率电子器件和蓝光发光二极管（LED）等领域。
同质外延是一种常用的制备GaN薄膜的方法，可以通过在GaN衬底上生长GaN 薄膜来实现。
然而，同质外延过程中常常会产生位错密度，这对于材料的性能和器件性能有很大的影响。
因此，研究氮化镓同质外延层位错密度的比较，对于优化外延过程和改善材料性能具有重要意义。
首先，我们来了解一下位错密度的概念。
位错是晶体中的一个缺陷，它是由于晶体的排列不完美而产生的。
位错密度是指单位体积内位错的数目。
位错密度高意味着晶体中存在更多的位错，这会降低材料的性能。
同质外延层位错密度与多种因素有关。
首先，外延过程中的表面平整度和晶体状态对位错密度有重要影响。
如果外延过程中的表面平整度较差，晶体生长过程中可能会发生晶格失配，导致位错的产生。
此外，外延过程中的温度和气氛对位错密度也有一定的影响。
适当的温度和气氛条件可以帮助控制晶体生长的速率和质量，从而减少位错的产生。
另外，外延过程中的材料选择也会对位错密度产生影响。
不同的外延材料具有不同的晶格常数和晶体结构，这可能导致晶格失配，从而增加位错密度。
因此，在外延过程中选择合适的材料对于降低位错密度非常重要。
同时，外延条件的优化也是减少位错密度的关键。
例如，控制外延过程中的生长速率和厚度可以有助于减少位错的产生。
此外，通过引入合适的缓冲层和外延技术，也可以有效地控制位错密度。
值得注意的是，尽管外延条件的控制可以降低位错密度，但完全消除位错是很困难的。
因此，对于某些应用，可以采取其他方法来处理位错问题。
例如，可以使用晶格缺陷修复技术，如位错融合等方法，来减少位错对材料性能的影响。
总之，氮化镓同质外延层位错密度是一个重要的研究方向。
通过优化外延条件和选择合适的外延材料，可以有效地控制位错密度，从而提高材料的质量和性能。
对于深入了解位错密度的形成机制和减少位错密度的方法，还需要进一步的研究。
氮化镓材料中的位错对材料物理性能的影响
氮化镓(GaN)材料因其独特的物理性能，如高崩溃电压、高集电效率及光导热等，在微电子技术领域得到越来越多关注。
然而，氮化镓材料与其他传统器件晶体结构类似，晶体内受离子化学分子力耦合的影响，形成时不可避免地会有位错生成，其形格式也会影响氮化镓材料的物理性能。
一类主要影响氮化镓材料物理性能的重要位错是位移位错，它可以脆化晶体，
影响其力学性能和输运性能；另一类位错是掺杂位错，其可以影响晶体的光学性质，从而影响元件的发光效率。
同时，位错的存在还可以改变材料的表面等离子体激发和输运性因素，影响元件的工艺性能。
在氮化镓材料中，位错对其性质影响可能是复杂的，如静电稳定性、再结晶及
结构稳定性等物理过程，都受到位错的影响。
因而，准确的检测、分析位错的形态、数量和空间分布，对氮化镓材料的发展具有至关重要的意义。
总的来说，氮化镓位错对材料的物理性能影响十分明显，如位移位错对力学性能、输运性能有影响，掺杂位错对其光学性质影响较大，如发光效率等，同时会改变元件的表面等离子体和输运性等物理性质。
正确识别和分析氮化镓位错，是进一步深入研究和开发其器件技术的基础所在。
MOCVD生长GaN原理引言氮化镓（GaN）是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景，例如高亮度发光二极管（LED）、高电子迁移率晶体管（HEMT）等。
其中，MOCVD（金属有机化学气相沉积）是一种常用的GaN生长技术。
本文将详细解释MOCVD生长GaN的基本原理，包括反应机理、生长过程和影响因素等内容。
1. 反应机理MOCVD生长GaN的基本反应机理可以分为两个步骤：金属有机前体分解和氮化反应。
1.1 金属有机前体分解MOCVD使用金属有机前体作为源材料，常用的有三甲基镓（TMGa）和氨（NH3）。
在高温下（通常为700-1100°C）和低压（几百帕）的条件下，TMGa分解为镓原子和甲烷（CH4），反应如下：TMGa + CH4 -> Ga + 3CH3这个反应是一个热解反应，通过热能将TMGa分解为金属镓和甲烷。
金属镓可以在衬底表面扩散并形成薄膜。
1.2 氮化反应在金属镓薄膜形成后，需要进行氮化反应将其转化为GaN。
这一步骤通常在高温下进行，使用氨作为氮源。
氨分解为氮原子和氢气，然后与金属镓反应生成GaN，反应如下：GaN + NH3 -> GaN + 3/2H2这个反应是一个气相反应，通过金属镓和氮原子的反应生成GaN。
氮源的供应量和反应温度会影响GaN的生长速率和质量。
2. 生长过程MOCVD生长GaN的过程可以分为几个关键步骤：表面吸附、扩散、反应和脱附。
2.1 表面吸附金属有机前体和氮源在气相中输送到衬底表面后，会先发生吸附。
金属有机前体通过表面吸附在衬底上，形成一个镓原子层。
氮源中的氮原子也会吸附在衬底表面。
2.2 扩散金属有机前体和氮源吸附在衬底表面后，会向表面下方扩散。
金属有机前体中的金属镓原子会在表面扩散并形成一个薄膜。
氮原子也会在表面扩散并与金属镓反应形成GaN晶体。
2.3 反应金属镓和氮原子在表面扩散后会发生反应，生成GaN晶体。
反应速率和质量受到金属有机前体和氮源的供应量、反应温度和压力等因素的影响。
GaN同质衬底制备及MOCVD外延生长的开题报告1. 研究背景和意义GaN（氮化镓）研究是当前化学材料研究领域的热点之一。
GaN材料具有宽带隙、高电子迁移率、优良的热导率等优良性能，因此在LED、激光器、功率器件等领域有着广泛的应用。
其中，GaN同质衬底是制备GaN外延薄膜最重要的基底材料之一。
目前，GaN同质衬底制备及外延生长技术已经比较成熟，但是仍然存在一些问题，例如低位错密度、均匀性等方面需要进一步提高。
2. 研究内容和方法本研究将主要围绕GaN同质衬底制备及MOCVD外延生长展开。
具体包括以下内容：（1）GaN同质衬底制备方法的研究：借鉴已有的研究成果，采用低压化学气相沉积方法制备GaN同质衬底，并优化制备参数以提高材料质量。
（2）GaN同质衬底的表征：采用X射线衍射、扫描电镜等表征手段对制备的GaN同质衬底进行结构、形貌等方面的表征。
（3）MOCVD外延生长方法的研究：通过改变不同的生长条件，如温度、压力、流量等，来优化GaN外延生长过程中的生长质量和均匀性。
（4）外延薄膜的表征：采用X射线衍射、扫描电镜等表征手段对GaN外延薄膜进行材料结构、形貌等方面的表征。
3. 预期结果本研究预期能够成功制备出低位错密度、高质量的GaN同质衬底，并且通过优化生长条件，得到具备良好性能的GaN外延薄膜。
同时，通过对制备和生长过程的深入研究，将会揭示其内在机理和生长方式，为今后的GaN材料研究提供有益的参考。
4. 研究意义本研究对于促进GaN材料的研究和应用具有重要的意义。
一方面，优化制备和生长过程可以提高GaN材料的质量，从而更好地满足其在LED等领域的应用需求；另一方面，对GaN同质衬底制备和生长过程的深入探索，将有助于我们更深入地理解GaN材料的性质和机理，推动相关研究的进一步发展。
・材料・基于图形衬底生长的G a N位错机制分析3江 洋33,罗 毅,薛小琳,汪 莱,李洪涛,席光义,赵 维,韩彦军(清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室,北京100084)摘要:采用缺陷选择性腐蚀法结合光学显微镜及原子力显微镜(AFM)对金属有机化合物气相外延(MOVPE)在蓝宝石图形衬底(PSS)上生长的非掺杂G aN体材料的位错产生机制进行了研究,分析结果表明,位错来源于三个方面:一是“二步法”生长机制引入的位错;二是是由于图形衬底上不同区域G aN晶体相互连接时由于晶面不连续所造成的位错群;三是由于图形衬底制作工艺过程中引入的表面污染与损伤。
关键词:G aN;金属有机气相外延;图形衬底;位错;缺陷选择性腐蚀中图分类号:TN303;TN304 文献标识码:A 文章编号:100520086(2008)0420478204Dislocation generation m ech anism analysis of G a N grow n on p atterned s apphire sub2strateJ IANG Y ang33,LUO Y i,XUE X iao2lin,W ANG Lai,LI Hong2tao,XI G uang2yi,ZHAO Wei,HAN Y an2jun(State K ey Lab on Integrated Optoelectronics,Department of E lectronic Engineering,T singhua University,Beijing100084,China)Abstract:The growth proccess of undoped G aN on patterned sapphire substrate(PSS)was achieved by metal organic vaporphase deposition(MOVPE).And the defect2selective etching method combined with optical microscope and atom ic force mi2croscope(AFM)was carried out to study the mechanism of dislocation generation of G aN on PSS.The results indicate thatthe dislocation is probably generated from three aspects:“two2step”growth process,the coalsence of G aN crystal from sepa2rate areas of PSS,and the substrate surface damage and contamination during PSS facturing.K ey w ords:G aN;MOCVD;patterned sapphire substrate;dislocation;defect2selective etching1 引 言 作为第三代半导体材料的代表,氮化镓材料具有禁带宽度大、耐高温等诸多优异性能。
因此,G aN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、白光照明以及医疗和军事等领域都具有广阔应用[1～3]。
其中最引人注目的是利用G aN基发光二极管(L ED)加上荧光粉合成白光实现白光照明[4]。
然而,蓝宝石衬底和G aN材料的晶格常数存在较大的失配(16%),导致蓝宝石衬底上生长G aN晶体具有很高的位错密度(109～1012cm22),造成载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响,使得器件内量子效率下降[4];另一方面由于G aN材料折射率高于蓝宝石衬底以及外部封装树脂,有源区产生的光子有70%在G aN 层上下两个界面处发生多次全反射,降低了器件的光提取效率,同时光多次反射被表面电极和材料有源区吸收产生大量热量,也会影响器件工作的稳定性。
图形衬底技术[5]通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形,改变了G aN的生长过程,能有效地抑制材料中位错的向上延伸,提高器件内量子效率;同时由于粗糙化的G aN/蓝宝石界面散射了光线,使得原本全反射的光子有几率出射到器件外部,能有效提高光提取效率。
由于图形衬底相比普通衬底其表面形貌发生了变化,所以在图形衬底上的G aN初期的生长过程也随之发生改变,则图形衬底上的G aN生长方法也需要作出相应改变来优化晶体生长,否则G aN的晶体质量非但不提高,反而有可能恶化,从而影响器件的工作特性[6],这与图形衬底中位错的产生机制有关。
为此,我们需要研究图形衬底生长G aN中位错的产生机制来指导图形衬底上G aN的生长,以避免这些位错的产生或抑制其发展。
研究G aN晶体中位错的方法通常有X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、阴极射线荧光(C L)、缺陷选择性腐蚀等方法。
其中缺陷选择性腐蚀法[7]能观察到位错的分布,且具有设备简单,成本低廉等优点。
目前较常用的腐蚀法有三类:一是基于硫酸磷酸的高温强酸腐蚀;二是基于氢氧光电子・激光第19卷第4期 2008年4月 Journal of Optoelectronics・Laser Vol.19No.4 Apr.2008 3 收稿日期:2007204210 修订日期:2007206213 3 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60223001,60244001,60290084);国家“973”基础科学研究资助项目(G200020326601);国家“863”计划资助项目(2001AA313130,2004AA31G060);北京市科委资助项目(D0404003040321) 33E2m ail:jiangyang03@化钾(K OH )或氢氧化钠的熔融状态腐蚀剂腐蚀;三是光辅助的氢氧化钾水溶液腐蚀。
本论文中采用熔融K OH 腐蚀剂对图形衬底上生长G aN 样品进行了腐蚀和分析,以此来研究图形衬底上G aN 位错产生的机制。
2 实 验 实验中采用的衬底图形是二维直角排列的正方形图形,边长为3μm ,相互间距也是3μm ,衬底制作由H 3PO 4∶H 2SO 4高温下湿法腐蚀获得,衬底图形的侧壁与底面成倾斜角度,经过一定的表面处理后放入AXITRON 220002HT MOVPE 设备中进行外延生长。
生长所用Ⅲ族和Ⅴ族源分别是三甲基镓(TM 2G a )和氨气(HN 3),采用氢气(H 2)作为载气。
采用传统的“二步法”生长方式,在1100℃下高温解吸附和520℃下表面氮化之后,首先生长约25～30nm 厚的低温缓冲层,然后升温至1050℃生长约2μm 厚的G aN 体材料。
之后将PSS 2G aN 上切下边长约5mm 的切片,经有机清洗后放入300℃熔融K OH 中腐蚀5min 后取出。
腐蚀后的样品先用稀盐酸处理,再用去离子水反复水浴超声清洗,并用氮气吹干。
样品在腐蚀前采用ω22θXRD 扫描方式测量了其(002)和(105)晶面摇摆曲线,得到曲线半高全宽值分别是425arcsec 和326arcsec 。
通过Hall 方法评价了材料电学特性,得到其背景载流子浓度和迁移率分别是1.8×1017cm 23和1.27cm 2/Vs 。
腐蚀前后样品利用OL YMPUS 光学显微镜和PSIA XE 2100型原子力显微镜进行观察了晶体表面形貌。
最后将样品解开用场发射扫描电子显微镜(FEG 2SEM ,J SM 26301F )观察其断面形貌。
3 结果与分析3.1 光学显微镜和扫描电子显微镜分析 经过腐蚀后的样品首先用在光学显微镜下观察,可以看到直径约在1μm 左右的腐蚀坑,如图1所示。
在图中同时还可以观察到衬底图形的轮廓,仔细观察可以发现,几乎所有的腐蚀坑都出现在衬底图形边界处的G aN 表面,说明这部分腐蚀坑表征的位错应该和衬底图形有关。
图1 经腐蚀后图形衬底上G aN 的光学显微镜照片Fig.1 Optical microscop e im age o f etch edsu rface o f G aN grow n on PSS 为此,我们分析了衬底图形对G aN 生长过程的影响。
由于衬底图形将衬底分隔成了若干了小块,生长过程中原子的表面迁移在图形边界处被打断,所以G aN 在分隔出的“台阶”上和“沟道”中独立生长,这种生长不仅有纵向分量,也有横向生长分量,而且独立生长的每一个区域中的G aN 晶体都产生了侧面晶面,如图2(a )所示。
根据Hiramatsu K 等人[8]对横向外延技术(ELO G )中类似情况的研究发现,在不同的生长条件下,纵向生长与横向生长所占的比重不同,且侧面晶面的晶面指数也会随之发生变化。
在纵向生长条件下,侧面晶面为一倾斜晶面,反之在横向生长条件下,侧面晶面渐渐变得竖直。
在极端的横向生长条件下,台阶上GaN 横向生长十分猛烈,会在“沟道”中GaN 生长上来之前就相互连接,形成连通的空气桥,如图2(b )所示,这就是悬臂梁横向外延[9](Cantilever epitaxy )。
而在一般的生长条件下,“沟道”中的GaN 将会向上生长高出台阶表面,其倾斜侧面与“台阶”上横向延伸的GaN 晶体侧面相连接,形成三角形空气孔,如图2(c )所示。
图3是样品的断面SEM 照片,从照片上可以看到明显的三角形空气隙,说明图形衬底上GaN 生长条件偏向纵向生长条件,横向生长缓慢,连接发生在“沟道”中生长上来的GaN 晶体与“台阶”上微弱横向延伸过来的GaN 晶体之间,晶体相连接点位置在衬底图形边界上方,这与图1光学显微镜照片中结果相吻合。
由此可以推测晶体在此位置相互连接的过程中,由于晶面不连续滋生大量位错,并形成位错群[10]。
这些位错群延伸到材料表面在KO H 选择性作用下被腐蚀且相互连接,并最终形成光学显微镜下可观测到的大尺寸腐蚀坑,由于位错是沿生长方向向上延伸,所以这些大腐蚀坑的位置几乎全部处于图形边界处。
3.2 原子力显微镜表面分析 腐蚀前后的样品还采用AFM 在非接触模式下分别进行了25μm ×25μm 和5μm ×5μm 的不同范围扫描,如图4所示。
图4(a )、(b )是腐蚀前的AFM 照片。
其中在5μm ×5μm的扫描范围内,可以观察到明显的表面原子台阶结构,且在台阶终端可以观察到一些小黑点,这些小黑点可能是具有螺旋分量的穿透位错在晶体表面的露头。
对比腐蚀前后图片可以看到,表面原子台阶在腐蚀作用下逐渐形成了统一的几个方向,说明K OH 是对于G aN 是一种各向异性的腐蚀。
