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不同衬底上高品质GaN薄膜的等离子体增强型原子层沉积

刘三姐  
【摘要】:以氮化镓(gallium nitride,GaN)为代表的第三代宽带隙半导体材料,由于其优良的光学(带隙宽度可调:0.67-6.2 eV)和电学(高击穿电场、高电子饱和漂移速率)特性,已在发光二极管、激光器以及高电子迁移率晶体管等器件中得到了广泛的应用。最近,使用基于化学气相沉积的原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)以及等离子体增强的 ALD(plasma-enhanced ALD,PE-ALD)技术具有沉积温度低(400℃)和良好覆膜性等方面的优势,在GaN薄膜制备方面而备受瞩目,研究可谓如火如荼,从而拓展Ⅲ族氮化物半导体及其合金在新型电子和光电子器件方面的应用。根据PE-ALD的低温生长机制、Ⅲ族金属和氮源的分解以及不同衬底的表面活性等要求,本论文针对PE-ALD沉积的在Si衬底上GaN薄膜中的杂质(碳、氧等)、界面性质以及蓝宝石衬底上外延等问题进行了详细研究,另外,用PE-ALD在石英衬底上沉积了 GaN薄膜,取得了如下结果:(1)提出用PE-ALD沉积AlN薄膜作为插入层来降低生长于Si衬底上的GaN薄膜中的氧杂质含量。在Si衬底上直接沉积的GaN薄膜有一层~18 nm厚非晶GaN过渡层,而且在GaN和Si衬底之间存在一层厚度约为2 nm的非晶界面层,在这两个非晶层中,氧杂质含量非常高。当插入AlN缓冲层后,由于消除了非晶界面层,GaN薄膜的结晶性增强,靠近界面处的GaN薄膜中氧杂质含量降低了~22%。(2)采用氮等离子体预处理Si衬底也降低了 GaN薄膜中的碳、氧杂质含量。用氮等离子体预处理衬底表面后,GaN和Si衬底之间的非晶界面层的厚度减薄了~0.4 nm,非晶GaN过渡层的厚度减薄12.7 nm。Si衬底被氮等离子体预处理后,表面的羟基(-OH)基团被部分氮化成-NH基团,使得衬底表面氧的位点数减少,氮位点数增加,这不仅大大降低了后续生长的GaN薄膜中的氧杂质浓度,还提高了 GaN/Si的界面性质。(3)对蓝宝石衬底进行烘烤和氮等离子体预处理得到了高品质单晶GaN薄膜。经烘烤后,蓝宝石衬底表面的氧位点活性增强,加上在烘烤温度下对衬底表面进行氮等离子体处理,具有高活性的氮等离子体充分取代衬底表面的氧,促进GaN的初始成核,得到单晶GaN。所沉积的GaN薄膜呈现c轴取向的外延生长。24 nm厚的GaN(002)面的X射线摇摆曲线半高全宽为~666 arcsec,证明其晶体质量和一些高温沉积技术生长的GaN相当,为后续进行相关器件的制备提供了基础。(4)直接在石英衬底上PE-ALD生长出高品质GaN薄膜。于300℃下生长的GaN薄膜是多晶态,具有陡峭的GaN/石英界面,膜内碳和氧杂质含量分别为6.34%和0.64%。Hall测试表面所得的多晶GaN薄膜具有较好的电学性质。使用该条件生长的GaN用于钙钛矿薄膜太阳能电池后,AM1.5阳光下转换效率从10.38%增加到15.18%,相对效率提升了近50%。


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