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HVPE法制备GaN体材料的研究

王如  
【摘要】:GaN的带隙宽,化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀,GaN基器件具有抗辐射、高频和大功率的特点,在光显示、光存储、光照明、光探测等光电领域、航空航天和民用移动通信系统领域有着巨大的应用前景。由于熔点超过2500℃,不能使用熔体生长法获得GaN的体材料。氢化物气相外延法(HVPE)能获得每小时几十微米的快速生长率,设备简单,适合生长GaN厚膜,把得到的厚膜和衬底进行剥离,就可以得到自支撑衬底或是GaN体材料。 本文主要研究高质量GaN厚膜的制备工艺。利用缓冲层技术和横向外延技术的原理,在Al2O3(0001)和Si(111)衬底上,通过优化射频磁控溅射系统的衬底温度、工作气体压强和溅射功率等参数,得到了c轴单一取向、晶粒尺寸均匀、三维岛状结构的ZnO缓冲层。三维岛状的ZnO缓冲层,既有效地降低了晶格失配度,同时,三维小岛之间形成的微孔中心又起到了横向外延掩膜的作用,这种微孔结构降低了GaN厚膜的位错密度,还有助于减小后续的剥离难度。通过优化HVPE系统的生长温度、V/III比值和载气种类等参数,制备了晶体质量良好的GaN厚膜,并对GaN厚膜穿透位错密度进行了估测,对厚膜的光学、电学性能进行了测试。采用先通H2气再通N2作载气的HVPE工艺有效地降低了晶体结构缺陷,消除了黄光发射带。GaN/RF-ZnO/Al2O3(0001)试样的(0002)面DCXRD半高宽(FWHM)为265arcsec、(1012)面为414arcsec,晶体结构缺陷少,杂质含量低,载流子受到的散射作用较小,霍尔迁移率为436 cm2/V·s,方块电阻为3.17×106?/□。对于Si(111)衬底生长GaN采用LT-GaN/RF-ZnO复合结构,ZnO缓冲层防止了无定形SiNx膜和Ga滴回溶的产生,消除GaN膜多晶化问题。低温GaN(LT-GaN)插入层进一步降低了衬底和GaN厚膜之间的晶格失配度,同时减小了ZnO层的高温分解和反应问题。对预氮化处理的Al2O3(0001)衬底采用低温GaN层插入层工艺,以及在Al2O3(0001)衬底上生长TiN作掩膜的工艺进行了初步探索,发现衬底氮化工艺容易造成N极性面生长,而TiN掩膜工艺的纳米级Ti膜的容易氧化,二者不易获得高质量GaN厚膜。对以ZnO为缓冲层的GaN厚膜进行了激光剥离和化学浸蚀分离的尝试。


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