高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高

《MOCVD-GaN-蓝宝石衬底高温预处理减少GaN单晶位错的研究》篇一MOCVD-GaN-蓝宝石衬底高温预处理减少GaN单晶位错的研究MOCVD-GaN/蓝宝石衬底高温预处理对减少GaN单晶位错的研究一、引言随着半导体技术的飞速发展，GaN（氮化镓）材料因其独特的物理和化学性质，在光电子器件、电力电子器件等领域中获得了广泛应用。

然而，GaN单晶生长过程中常出现位错问题，这不仅影响材料的性能，也对器件的稳定性和可靠性造成了一定的挑战。

近年来，为了有效解决这一问题，许多研究者采用了不同的生长技术来制备高质量的GaN单晶。

其中，MOCVD（金属有机化学气相沉积）技术因其高生长速率和良好的可重复性而备受关注。

本文将重点探讨在MOCVD生长GaN/蓝宝石衬底时，高温预处理对减少GaN单晶位错的影响。

二、研究背景GaN作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高电子饱和速度和高热导率等优点，是制作高性能光电子和电力电子器件的理想材料。

然而，在GaN单晶的生长过程中，由于衬底与GaN之间的热膨胀系数和晶格常数差异较大，常常会出现位错等缺陷。

这些缺陷不仅会降低材料的性能，还会影响器件的稳定性和可靠性。

为了解决这一问题，研究者们尝试了多种方法，其中高温预处理技术被认为是一种有效的手段。

三、实验方法本研究采用MOCVD技术，以蓝宝石为衬底，通过高温预处理来优化GaN单晶的生长。

首先，将蓝宝石衬底置于高温炉中加热至预定温度进行预处理；然后，在预处理后的衬底上生长GaN 单晶；最后，对生长的GaN单晶进行性能测试和位错分析。

四、高温预处理对GaN单晶生长的影响1. 蓝宝石衬底的高温预处理：高温预处理可以有效改善蓝宝石衬底的表面质量和结晶性能，使其与GaN的晶格匹配度更高，从而降低位错产生的几率。

2. 优化GaN生长条件：通过高温预处理，可以调整蓝宝石衬底的表面化学状态和物理性质，为GaN的生长提供更好的条件。

例如，预处理可以去除衬底表面的杂质和缺陷，提高表面的平整度和均匀性，从而有利于GaN单晶的生长。

预处理蓝宝石衬底上生长高质量 GaN 显示薄膜彭冬生;冯玉春;牛憨笨;刘晓峰【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2008(31)1【摘要】Etch pits on sapphire substrate surface are formed after surface treating. GaN films have been grown by LP-MOCVD on the sapphire substrate, which a half of it is pretreated by chemical etch. The crystal quality and optical quality of GaN films are analyzed by high-resolution double crystal X-ray rocking curve (XRC) and optical transmission measurement. These results indicate that the crystal quality of GaN determined by transmission measurement is in agreement with that determined by XRC, that the (0002)plane and (1012) plane full-width at half-maximum by XRC of GaN films grown on pre-treated sapphire substrate are as low as 208.80arcsec and 320. 76acrsec, respectively. The transmission spectrum of GaN is studied to assess the crystal and optical quality. The epilayer grown on pre-treated sapphire substrate ex-hibits excellent optical quality, in which the yellow luminescence (YL) is nearly invisible in the photolumi-nescence (PL) spectrum. The epilayer grown on the pre-treated sapphire substrate exhibits superior opti-cal properties and crystal properties, in which the higher transmission ratio and the greater modulation depth can be shown in the transmission spectrum.%采用化学方法腐蚀部分 c-面蓝宝石衬底,在腐蚀区域形成一定的图案,利用 LP-MOCVD 在此经过表面处理的蓝宝石衬底上外延生长 GaN 薄膜.采用高分辨率双晶X射线衍射(DCXRD)、光致发光光谱(PL)、透射光谱分析GaN薄膜的晶体质量和光学质量.分析结果表明,CaN 薄膜透射谱反映出的 CaN 质量与 X射线双晶衍射测量的结果一致,即透射率越大,半高宽越小,结晶质量越好;对蓝宝石衬底进行前处理可以大大改善GaN薄膜的晶体质量和光学质量,其(0002)面及(1012)面XRD半高宽(FWHM)分别降低到 208.80arcsec 及 320.76arcsec,而且其光致发光谱中的黄光带几乎可以忽略.【总页数】4页(P57-60)【作者】彭冬生;冯玉春;牛憨笨;刘晓峰【作者单位】中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710068;中国科学院研究生院,北京,100049;深圳大学光电子学研究所,深圳,518060;深圳大学光电子学研究所,深圳,518060;深圳大学光电子学研究所,深圳,518060;深圳大学光电子学研究所,深圳,518060【正文语种】中文【中图分类】TN304.055【相关文献】1.在LiGaO2上生长高质量GaN [J], 晓晔2.高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高 [J], 黄华茂;杨光;王洪;章熙春;陈科;邵英华3.在ZnO／Al2O3衬底上生长高质量GaN单晶薄膜 [J], 毛祥军;叶志镇4.前处理蓝宝石衬底上生长高质量GaN薄膜 [J], 彭冬生;冯玉春;牛憨笨5.MOCVD法在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜的性能研究 [J], 孙孪鸿;邹军;徐家跃;李文博因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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]。

不同种类蓝宝石衬底上AlGaN-GaN异质结构的外延生长及特性研究近年来，GaN（氮化镓）材料因其在光电器件领域中的广泛应用，引起了科学家们的极大关注。

GaN材料具有优异的物理性能，包括宽禁带宽度、高热稳定性、高饱和电子迁移率等特点，因此被广泛用于高功率、高频率和高温电子器件中。

然而，GaN材料的外延生长工艺一直是研究者关注的重点之一。

外延生长是将一种材料沉积在另一种晶体衬底上，以形成具有特定晶体结构和性能的材料薄膜。

在GaN材料的外延生长中，选择合适的衬底对薄膜质量具有重要影响。

本文首先简要介绍了GaN材料及其在光电器件中的应用。

然后，介绍了蓝宝石衬底作为常用的外延衬底之一，以及其在GaN材料外延生长中所面临的问题。

由于蓝宝石衬底晶格参数与GaN材料的不匹配，导致了晶格缺陷的产生。

这些缺陷会显著影响GaN材料的光学、电学和热学性能。

针对这个问题，科学家们开始研究其他材料衬底，以寻找更好的替代品。

在这些研究中，AlGaN/GaN异质结构引起了广泛关注。

这种结构是通过在GaN材料上生长一层AlGaN 来实现的。

AlGaN/GaN异质结构可以抑制晶格缺陷的形成，提升材料质量。

实验中，研究人员利用金属有机化学气相外延（MOCVD）技术在不同种类的蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN异质结构。

然后，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等表征手段，对外延薄膜的形貌和结晶质量进行了分析。

实验结果表明，在不同种类的蓝宝石衬底上，成功生长了高质量的AlGaN/GaN异质结构。

准均匀的薄膜表面和良好的结晶性能表明，选择适当的外延衬底对于提升GaN材料质量具有重要作用。

此外，通过使用适当的外延条件，可以进一步改善异质结构的质量。

除了形貌和结晶性能的研究，研究人员还对不同衬底生长的AlGaN/GaN异质结构进行了电学性能表征。

通过测量薄膜的电阻率和载流子浓度等参数，可以评估材料的电学性能。

实验结果表明，选用不同种类的蓝宝石衬底对AlGaN/GaN异质结构的电学性能有一定影响。

TECHNICAL INNOVATIONSiC具有禁带宽度大、热导率高、电子迁移率大、临界击穿电场高等特点，在高温、高压、大功率器件领域有广泛的应用。

但Si衬底上异质外延3C-SiC薄膜的质量较低，阻碍了其在各应用领域的发展。

在SiC 和Si衬底界面处或外延薄膜内会产生大量的由应力释放引起的缺陷，如位错、层错、孪晶等[1-2]。

图形化衬底上侧向外延生长技术可以有效地解决这一问题，这一技术在选择性生长的基础上发展而来。

图形化衬底可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺获得，有微米级波浪形、“V”形，纳米柱状等[3-7]。

图形化衬底分为有掩膜图形和无掩膜图形两类，掩膜材料有SiO2、Si3N4或金属等[8-11]。

目前在图形化蓝宝石衬底上侧向生长的GaN材料的位错密度由108/cm2以上降低至107/cm2 [12]。

Oshita等人在Si（100）衬底上用SiO2作掩膜图形，在1000 ℃得到了质量良好的3C-SiC薄膜。

通过侧向外延技术的选择性生长可以最大程度地减少3C-SiC薄膜中的缺陷[13-14]。

然而掩膜材料和最优选择性生长工艺之间的矛盾关系是侧向外延生长中必须要考虑的因素，较高的生长温度可以获得质量更好的3C-SiC薄膜，但是低的生长温度可以减少对SiO2掩膜材料的伤害，SiO2掩膜图形层的完整性决定着外延薄膜的生长质量[3]。

在本论文工作中，通过3组实验来对比研究高温以及高温下通入H2和C2H2气体对Si（100）衬底上SiO2掩膜图形的影响。

1 实验过程本论文使用P型Si（100）衬底，电阻率2～10Ω ·cm，干氧氧化在Si衬底生长SiO2层，厚度分别是300 nm 和500 nm。

所有的衬底都经RCA标准清洗，后进行光刻，形成图形，再利用HF和NH4F组成的缓冲液对SiO2层进行湿法刻蚀，得到有SiO2掩膜层的图形化衬底。

刻蚀的图形为条形，其尺寸为15 μm或20 μm。

衬底图形制作过程如图1所示，图形窗口边沿（110）方向。

蓝宝石衬底上 GaN 厚膜的应力研究李响【摘要】采用有限元计算软件并结合多层膜理论，对蓝宝石衬底上氢化物气相外延（HVPE ）生长氮化镓（GaN）厚膜的应力情况进行研究。

由于衬底和厚膜不同位置在高温生长后的降温过程中温度变化不同进而产生不同的热失配应变，将引起产生初始裂纹以及裂纹扩展现象。

针对上述过程，可以针对给定条件的生长体系，定性分析出 GaN 厚膜从裂纹产生到之后裂纹扩展的位置及方向。

得到的分析结果既能够很好的解释实验中遇到的现象，也能够对通过调节应力提高 GaN 厚膜生长质量提供理论指导。

%The finite element calculation software combining the multi -layers film theory is described and the stress condition of GaN thick film of HVPE growth on the sapphire substrate is studied in thispaper.During the high temperature growth cooling process,the temperatures in different locations of the substrate and the thick film are changed differently and the different thermal mismatch strains are produced as well,so the initial crack and crack propagation phenomena appear.The qualitative analysis method is studied for the above process and conducted for the location and direction of GaN thick film, from crack generation to later crack propagation,as per the regulated growth system.The analysis results can explain the experimental phenomena well and provide theoretical guidance on improving the GaN thick film growth quality by regulating stress.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P4-7)【关键词】氮化镓(GaN);应力;仿真;蓝宝石;薄膜;氢化物气相外延(HVPE)【作者】李响【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032【正文语种】中文【中图分类】TN30近年来，GaN材料由于应用广泛受到了越来越多的关注［1－2］。

科学技术创新2020.32图形化衬底上GaN 基高温缓冲层的研究吴洪浩周瑜霍丽艳（江西乾照光电有限公司，江西南昌330000）1概述20世纪90年代，日本科学家（中村修二、赤崎勇和天野弘）研制出了GaN 基蓝光LED ，自此，全世界爆发了研究GaN 材料的高潮[1-3]。

随着近些年材料生长和器件制备工艺的不断发展，蓝光GaN 基LED 的发光功率已经取得了重大的突破。

由于目前研究中，蓝光LED 作为主流研究内容，其可以为白色光源提供基本光源，从而大大降低全球的照明成本，因而诺贝尔奖评审委员会的申明指出：LED 会成为21世纪的主要光源[4]。

由于蓝宝石衬底相对简单易得，使得其成为目前使用最广泛的衬底，但它与GaN 材料之间因为存在明显的晶格失配和热膨胀系数失配，所以现有GaN 基LED 结构中即使使用了GaN 低温缓冲层，但在异质外延的GaN 材料中仍然存在大量的缺陷密度，此现象严重降低了GaN 的晶体质量和形成的器件的内量子效率。

此外，由于GaN 材料的折射率高于蓝宝石衬底及外部封装树脂，使得有源区产生的光子在GaN 上下界面发生多次全反射，严重降低了器件的光提取效率。

多数图形衬底的研究都是专注于减少线缺陷密度以及提高器件性能，对于高温GaN 缓冲层的影响关注很少。

图形衬底上生长的高温GaN 缓冲层对于后续生长的GaN 晶体质量以及LED 器件性能的影响尤为关键。

为此，本文研究了基于蓝宝石图形衬底的不同生长条件的高温GaN 缓冲层对GaN 晶体质量和LED 器件性能的影响。

2实验材料与设备本研究实验中所用到的金属有机源（MO 源）的配置为：三甲基镓（TMGa ），为生长GaN 材料提供给镓源，其特点为易分解，生长速率较快，引入C 杂质较多，一般用于生长GaN 缓冲层，N 型层等；三乙基镓（TEGa ），C-H 键较强，因此生长速率较慢，引入C 杂质较少，一般用于对生长质量要求较高的发光层；三甲基铟（TMIn ；），用来生长发光层，通过温度调节In 的含量，进而调节发光波长，影响发光亮度；二茂镁（Cp 2Mg ）：用于p 型掺杂，为发光提供空穴；硅烷（SiH 4）用于n 型掺杂，为发光提供电子。

华中科技大学硕士学位论文蓝宝石衬底上高质量AlN材料生长研究姓名：冯超申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：陈长清2011-01-04华中科技大学硕士学位论文摘 要Ⅲ族氮化物以其优异的特性得到广泛关注，AlGaN体系材料对应发光波长在210-340nm，适合可应用于白光照明、生化检测、消毒净化等领域的紫外发光器件，成为目前研究的热点。

而AlGaN材料，由于体单晶的缺失，一般采用AlN作为生长模板。

因此，要得到适用制作器件的高质量AlGaN材料，制备高质量AlN材料成为必须要首先解决的难题。

AlN薄膜异质外延，常采用SiC、Si或蓝宝石作为衬底材料。

而AlN与这些材料不匹配，晶体质量很差。

本文围绕高质量AlN材料的生长展开，采用两步法生长，主要研究缓冲层生长参数对外延层的影响。

首先详细阐述MOCVD生长原理，本实验所用的表征设备HR-XRD、AFM等及数据处理方法。

根据AlN材料的特性，分析衬底选择、表面预处理、反应腔压力、V/III比等对AlN生长影响，确定相关生长参数。

然后探讨缓冲层生长温度对外延层结晶质量和表面形貌的影响。

在600℃~870℃区间内选取不同温度生长6个样品，而保持其他生长参数不变。

用透射谱、AFM、HR-XRD等检测，发现在690℃~780℃时表面出现原子级台阶，尤其在780℃，晶体质量比较好。

温度较低，位错密度大；温度较高，表面粗糙，出现许多小坑。

进一步改变缓冲层生长时间，来研究缓冲层厚度的作用。

生长3个样品，生长时间为4.4分钟时，样品(0002)面FWHM为116arcsec，(1012)面FWHM为1471arcsec，并且表面出现原子级台阶。

而外延层较薄较厚，表面均未出现台阶，晶体质量和表面形貌均很差。

根据这两组实验结果，分析缓冲层对外延层的作用机理。

最后在前面实验较好的生长模板上，采用连续方式生长一层高温AlN。

通过两组实验，在不同生长温度下，改变TMAl和NH3流量、V/III比等来初步探讨连续生长方式对AlN质量的影响。

95一、引言单层的二维材料的表面原子几乎完全裸露，具有较大的比表面积和量子效应，有着不同于块体材料的优异性能。

与石墨烯类似，单层过渡金属硫化物有着诸多的优异的性能，当过渡金属硫化物材料从体材料变为单层薄膜材料时，其禁带宽度会随之产生变化，由间接带隙半导体变成直接带隙半导体，同时其光电性能也会发生显著的变化。

一些过渡金属硫化物还具有良好的光吸收和光致发光性能以及适合吸收辐射的禁带宽度，这些性能为过渡金属硫化物在光电器件等领域的应用创造了条件。

二硫化钼是一种典型的过渡金属硫化物，凭借其巨大的比表面积、超薄的层状结构和适宜的禁带宽度，在光电子学、纳米器件和纳米电子学等领域备受关注。

本文对已经生长过MoS 2薄膜的蓝宝石基片在空气中进行高温退火处理，以高温退火处理的蓝宝石基片和洁净的蓝宝石基片作为对照，用化学气相沉积法制备MoS 2薄膜，探究高温退火对蓝宝石上生长MoS 2薄膜的影响。

二、实验1.实验试剂三氧化钼，分析纯，大于99.5%；硫粉，分析纯，大于99.95%；乙醇，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

所用水均为去离子水。

2.实验装置本文采用的是管式炉化学气相沉积装置，主要由是由真空系统、气路系统和单温区加热系统三部分组成的。

真空系统主要由机械泵、真空规等组成，用来控制腔体内部的气压，以及结合气路系统在实验开始前对腔体内部进行洗气。

单温区加热系统主要用于控制反应物前驱体的气化以及二硫化钼薄膜的生长时的温度，温区的加热温度可以达到900℃以上。

气体控制系统主要由气体质量控制计、流量显示仪和电磁截止阀组成，用来控制通入真空体系内的气体的流速和种类。

3.沉积MoS 2薄膜（1）基片预处理将洁净的单晶蓝宝石基片放入烧杯中，倒入乙醇溶液至浸没基片，放入超声波清洗机中超声处理10min，然后用去离子水冲洗2-3遍后，放入可浸没的去离子水中超声处理15min。

将上述处理的基片吹干备用。

然后另取已经长过MoS 2薄膜的蓝宝石基片在900℃下在空气中退火3小时，待基片冷却后备用。