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基于磁控溅射AlN上的GaN材料MOCVD外延生长研究

陈智斌  
【摘要】:近几年来,Si基GaN的研究受到了人们的广泛关注。Si衬底不仅同时具备良好的热导率与低廉的成本,而且还能与传统CMOS工艺兼容,最为人们所看好。虽然成核层技术的出现使得一些与GaN晶格失配较大的衬底上能够获得高结晶质量且具有表面形貌的材料,但采用MOCVD生长的成核层还是对衬底具有一定的依赖性,导致在一些晶格失配更大(Si100)或者同时具有较大晶格失配和热失配(Si111)的衬底上难以获取高质量的GaN材料,限制了GaN应用领域的进一步扩展。而磁控溅射是一种对衬底依赖性很弱的一种薄膜技术,如果能在磁控溅射的AlN上外延生长出具有低缺陷密度并具有良好表面形貌的GaN材料,理论上就可以在任何一种耐高温材料上溅射的AlN上外延出GaN材料。而在本文之前,很少有关于在磁控溅射基础上通过MOCVD进行再生长的研究。因此本文主要研究目的是对溅射于蓝宝石衬底的AlN上生长GaN进行探索研究。本文的主要工作和结果如下:(1)为了去除磁控溅射AlN界面处的O杂质,我们采用了MOCVD原位去除杂质的方法。通过比较不同的氮化时间和氨气流量,我们发现去除O杂质需要经过一个较长时间的氮化过程,而且氨气流量必须在一个很高的水平以保证化学反应向还原方向进行。氮化时间过短或者氨气流量不足都会导致氮化不充分,使AlN界面处存在大量的氧化铝,而由于材料生长的各向异性,在此基础上生长出来的GaN材料结晶质量和电学特性都较差。高氮化温度能够取得很好的氮化效果,而且能够通过对位错的优先刻蚀使得材料的结晶质量逐步提高,但由于高温对材料表面的损伤会使界面处吸附较多的O杂质,从而恶化电学特性。(2)为了获得高结晶质量与表面形貌的GaN材料,我们采用了不同的GaN层结构进行研究。通过在外延时先生长一层低Ⅴ-ⅢGaN以促进横向生长,使得材料的螺位错密度由2.81×108cm-2下降到了2.30×107 cm-2,下降了超过一个数量级;而增加GaN层厚度时,刃位错密度由2.81×108 cm-2下降到了6.11×107cm-2,刃位错密度由6.16×108 cm-2下降到了2.93×108 cm-2,并且表面的均方根粗糙度(RMS)达到了0.149nm。另外通过测量拉曼光谱,我们发现在增加GaN厚度时,材料所受的压应力状态并没有改变,已经进入了一个稳态。(3)为了获得高阻的GaN材料,我们在磁控溅射AlN与GaN之间加入了一层MOCVD外延的AlN,以缓和两种不同材料和生长方式所造成的突变。通过调节生长AlN时的Ⅴ-Ⅲ比,我们获得了高阻的GaN材料,其阻值达到了105Ω/□,而且使材料的结晶质量进一步提高。(4)为了研究AlN的生长模式,我们通过设计了变AlN厚度的实验。通过XRD、AFM等表征手段,我们发现外延AlN的生长并没有经过传统先成核再合并生长的过程,而是直接进行二维共格生长。综上所述,本文通过对基于磁控溅射AlN的GaN材料生长工艺进行研究,得到了具有高结晶质量和良好表面形貌的高阻GaN材料,螺位错密度最低为1.01×107cm-2,刃位错密度最低位2.93×108cm-2,表面RMS最低达0.149nm,Max-Min为1.873 nm,方阻105Ω/□。


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