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Ⅲ-Ⅴ族氮化物纳米孔材料的制备和应用

张宇  
【摘要】:GaN基半导体材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SiC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 刻蚀技术是器件制备工艺中不可缺少的步骤,但由于GaN材料的抗化学腐蚀性,至今没有有效的湿法刻蚀技术。干法刻蚀(ICP)是目前器件制备中常用的刻蚀技术,但这种技术不但昂贵、选择性低,还会损伤GaN材料而影响器件特性;发展一种新的GaN基材料的湿法刻蚀技术非常重要。同时,照明市场对GaN基光电子器件需求量的增加,以及光电子器件面积的增大,急需高性能垂直结构LEDs;而它的制备需要有效的薄膜剥离技术。此外,半极性和非极性GaN基材料具有制备长波长和高性能的光电子器件巨大潜力,但材料中存在着很多缺陷一直困扰着人们。本论文针对这些GaN材料和器件研究领域的热点问题,主要开展了电化学刻蚀剥离GaN薄膜的研究;电化学刻蚀法制备多孔GaN薄膜和大面积、自支撑多孔GaN薄膜的研究;两步法生长半极性(11-22)GaN薄膜、电化学法制备半极性(11-22)多孔GaN薄膜,以及用多孔GaN作衬底生长低缺陷密度的GaN薄膜和InGaN/GaN MQWs的研究。研究发现: 在室温条件下,对n-type GaN横向选择性电化学湿法刻蚀的研究,我们发现当选择不同的刻蚀条件(偏压)和不同硅掺杂浓度的n-GaN样品时,我们可以得到三个不同的区域:没有任何刻蚀区域(Ⅰ),刻蚀形成多孔结构区域(Ⅱ)和完全刻蚀区域(Ⅲ)。这为GaN基器件制备提供了很大的可用空间。 利用n-type GaN横向选择性电化学湿法刻蚀技术,我们成功地从蓝宝石衬底上剥离了约1微米厚的大面积(1 x 1 mm2)无裂纹的GaN薄膜。为下一步制备高性能的垂直结构GaN基LEDs打下了坚实的基础。在光学应用方面,利用n-type GaN横向选择性电化学湿法刻蚀技术,我们成功地制备了GaN圆型微盘(microdisk)和DBR结构,并对GaN圆型微盘(microdisk)的光学特性进行了表征。GaN圆盘形光学微腔(微盘)(mirodisk)具有均匀分布的光学微腔模式,这些光学模的半高宽远远小于GaN带边峰的半高宽(~5nm)。GaN圆盘形光学微腔(微盘)(mirodisk)的质量因子大约为2800,激射阈值大约为7nJ。最后,我们验证了n-type GaN横向选择性电化学湿法刻蚀技术在MEMS方面的应用,制备出了GaN“桥”和悬臂梁结构,并对GaN悬臂梁结构的振动频率进行了测量和计算,测量和计算结果基本一致,GaN悬臂梁结构的中心振动频率大约在120 kHz。我们相信,n-type GaN横向选择性电化学湿法刻蚀技术将会给Ⅲ-Ⅴ氮化物材料和器件领域带来意想不到的影响。 其次,我们用电化学湿法刻蚀法制备了多孔GaN薄膜结构;研究发现外加偏压和n-GaN的硅掺杂浓度在电化学刻蚀中是两个非常重要的参数。通过改变这两个参数我们可以控制多孔GaN材料的孔尺寸、孔洞率、孔密度等特性,还可以控制电化学湿法刻蚀n-GaN的刻蚀速率。同一硅掺杂浓度的n-GaN,多孔GaN材料的孔尺寸和孔洞率随外加偏压的增加而增大,多孔GaN材料的孔密度和刻蚀速率随外加偏压是先增大,当达到某一值后开始下降。在恒定外加偏压下,多孔GaN材料的孔尺寸随α-GaN的硅掺杂浓度的增加而减小,而孔洞率、孔密度和刻蚀速率随n-GaN的硅掺杂浓度的增加而增加。我们可以在2英寸GaN样品上制备出非常均匀的多孔GaN薄膜。并且讨论了电化学法制备多孔GaN薄膜的机制,我们初步认为由于外加电场的存在使GaN薄膜表面的空穴迁移到GaN和草酸溶液界面与草酸溶液中电子复合,使GaN得到氧化变成GaOx,GaOx溶于草酸溶液中而形成GaN材料的刻蚀,关于电化学刻蚀n-GaN的机制需要更进一步深入的研究。 根据电化学刻蚀制备多孔GaN薄膜材料的特性,我们用两种不同的工艺方法制备了大面积、自支撑多孔GaN薄膜。工艺A为两步法:用均匀硅掺杂浓度的n-GaN,第一步用低外加偏压形成低孔洞率的多孔GaN层,第二步增加外加偏压形成高孔洞率的多孔GaN层,最终把低孔洞率的多孔GaN层剥离下来。工艺B中,我们用具存不同硅掺杂浓度的n-GaN层,上层为低硅掺杂浓度的n-GaN层,下层为高硅掺杂浓度的n+-GaN;在同一外加偏压下,它们分别形成不同孔洞率和孔密度的多孔GaN结构,随刻蚀时间的增加,上层多孔GaN将自动剥离下来。我们把制备的大面积、自支撑的多孔GaN薄膜转移到了不同的衬底上例如玻璃,硅和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。 电化学湿法刻蚀剥离技术制备大面积多孔GaN薄膜的另一优点是我们可以重复利用剥离后的衬底。我们在剥离大面积、自支撑多孔GaN薄膜后的衬底上生长了GaN薄膜材料,发现在剥离多孔GaN薄膜后的衬底上生长的GaN薄膜具有与常规衬底上生长的GaN薄膜同样的质量特性。 最后,我们对半极性(11-22)GaN的生长,半极性(11-22)多孔GaN的制备,以及利用多孔GaN插入层生长低缺陷密度的(11-22)GaN进行了系统的研究并发现: 两步法MOCVD生长可以在m面Al2O3衬底上获得微结构提高的半极性(11-22)GaN薄膜。m面A1203衬底在NH3气氛下的高温氮化处理是获得(11-22)GaN薄膜的关键。适当的A1N缓冲层厚度在两步法提高(11-22)GaN薄膜质量的生长过程中同样起到重要的作用。生长AlN缓冲层后,第一步高压生长(11-22)GaN形成岛状表面结构(三维生长模式),第二步低压生长增加(11-22)GaN薄膜的横向生长速率(二维生长模式),使(11-22)GaN薄膜中的一些位错线弯曲互相作用而湮灭。优化后的两步法生长可以使(11-22)GaN薄膜的XRCs半高宽降低一半左右。 电化学刻蚀法制备了半极性(11-22)纳米孔GaN薄膜。半极性(11-22)纳米孔GaN的特性与极性(0002)纳米孔GaN非常相似。同一硅掺杂浓度的(11-22)n-GaN,多孔GaN材料的孔尺寸和孔洞率随着外加偏压的增加而增大,多孔GaN材料的刻蚀速率随外加偏压的增大,先增大,当达到某一电压值后又开始下降。与PEC刻蚀获得的纳米孔(11-22)GaN相比,电化学刻蚀制备的纳米孔GaN薄膜没有面选择性,纳米孔的形成与外加偏压和样品的硅掺杂浓度有关。 用电化学法制备的半极性(11-22)多孔GaN作插入层可以生长低缺陷密度的(11-22)GaN薄膜。生长过程中,由于高温下的质量转移特性,多孔GaN层的截面结构从树枝状或平行管状变成了孔状结构。与生长在平面GaN衬底上的(11-22)GaN相比,生长在多孔GaN层上的(11-22)GaN的单位面积内的三角形坑的数目减少,位错缺陷密度降低了一个数量级左右(从1.2×1010/cm2到5.6×109/cm2),多孔GaN层有效地阻挡了位错线的传播;多孔GaN层直接阻挡位错线的传播是(11-22)GaN缺陷密度减少的主要机制。生长在多孔GaN层上的InGaN/GaN MQWs表面的单位面积内的箭头形坑的数目减少了一半左右(从-1.42×108/cm2到-7.8×107/cm2)。而且随着孔洞率的增加而逐渐减少。(11-22)InGaN/GaN MQWs样品的光致发光峰值波长为-472 nm;PL峰值强度随着多孔GaN层孔洞率的增加而增加,与生长在平面GaN衬底上的MQWs相比,最大可达到4倍的增强。这是因为1)(11-22)InGaN/GaNMQWs样品中缺陷密度的减少、材料质量的提高;2)纳米孔结构对(11-22)InGaN/GaN MQWs光致发光的散射;以及3)纳米孔结构的低折射率对(11-22)InGaN/GaN MQWs光致发光的反射作用。


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