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HVPE法制备GaN同质衬底

作　者: 徐永宽
导　师: 张世林；严如岳
学　校: 天津大学
专　业: 通信工程
关键词: 氮化镓氢化物气相外延自支撑衬底单晶成核层裂纹 V形坑
分类号: TN304.054
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

GaN因其优异的物理、化学及电学特性,成为制造半导体光电器件及高频大功率电子器件的理想材料,但由于GaN体单晶不能像Si、GaAs一样用直拉法和布里奇曼法制备,现在大部分器件都是在异质衬底上生长,限制了器件性能的提高。本文对目前研究比较多的几种生长GaN体单晶的方法进行了综述,主要针对氢化物气相外延(HVPE)技术进行了研究。研究内容主要包括:第一,设计制造HVPE设备,针对反应管结构进行计算机模拟及优化设计;第二,研究蓝宝石衬底上GaN生长技术,主要进行原位成核技术研究;第三,研究了防止GaN开裂、实现衬底剥离,进而获得自支撑衬底的技术。主要研究结果如下:1.成功搭建了GaN HVPE系统,并利用计算流体力学软件,对反应管系统进行计算机模拟研究,在分析模拟结果以及实际试验基础上,对GaN HVPE反应管进行了优化。最终得到较为完美的GaN HVPE设备,可以生长出均匀的2英寸GaN外延材料,并且大大减少了寄生沉积。2.进行了用HVPE法在蓝宝石衬底上生长GaN的工艺研究。通过大量试验,成功建立了HVPE法原位成核工艺,实现了GaN单晶生长,生长表面光滑平整,无色透明。3.研究了HVPE法生长的GaN的表面形貌与生长工艺条件之间的关系,进而优化了生长条件,提高了晶体质量,降低了表面粗糙度,表面粗糙度Ra=0.9nm。4.研究了造成GaN微裂纹及晶片开裂的原因,通过优化生长条件,成功生长出厚度达到200μm的无裂纹GaN外延片。5.研究了超厚层GaN生长,发现当GaN厚度超过衬底厚度的2倍以上时,应力主要通过衬底开裂来释放,而GaN层则保持完整,通过该途径,成功获得了直径2英寸的GaN自支撑衬底。6.发现GaN厚度很厚时会出现尺寸较大的V形坑,研究分析了V形坑形成的原因,给出了合理的解释,并为解决V形坑问题指明了方向。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章绪论  7-20
  1.1 引言  7-8
  1.2 GaN 的基本性质  8-10
    1.2.1 GaN 的化学特性  8
    1.2.2 GaN 的物理（结构、电学、光学等）特性  8-10
  1.3 GaN 基器件及应用前景  10-15
    1.3.1 GaN 基LED  10-12
    1.3.2 GaN 基LD  12-13
    1.3.3 UV 探测器  13-14
    1.3.4 GaN 基HEMT  14-15
  1.4 主要衬底材料  15-20
第二章 GaN 体单晶研究现状  20-28
  2.1 引言  20-21
  2.2 主要生长方法  21-26
    2.2.1 气相生长方法  21-24
    2.2.2 液相生长方法  24-26
  2.3 结论  26-28
第三章 HVPE 系统设计、反应管计算机模拟及优化设计  28-45
  3.1 引言  28-29
  3.2 HVPE 系统设计  29-30
    3.2.1 加热系统设计  29
    3.2.2 气体分配系统设计  29-30
  3.3 反应管结构设计及优化  30-43
    3.3.1 设计概述  30-33
    3.3.2 理论模型  33-35
    3.3.3 数值模拟  35-37
    3.3.4 结果及讨论  37-43
  3.4 本章小结  43-45
第四章蓝宝石衬底上HVPE-GaN 生长工艺研究  45-53
  4.1 本章引言  45
  4.2 生长模式  45-46
  4.3 成核技术研究  46-49
    4.3.1 实验及讨论  46-48
    4.3.2 结论  48-49
  4.4 表面形貌研究  49-50
  4.5 生长速率研究  50-52
  4.6 本章小结  52-53
第五章防止GaN 厚膜开裂及衬底剥离技术研究  53-64
  5.1 本章序言  53-54
  5.2 无裂纹生长技术  54-56
  5.3 衬底剥离技术研究  56-64
    5.3.1 实验  57
    5.3.2 结果及讨论  57-64
第六章总结及展望  64-68
  6.1 主要研究结果  64-65
  6.2 主要创新点  65
  6.3 下一步研究工作建议及展望  65-68
参考文献  68-74
发表论文和参加科研情况说明  74-75
致谢  75

HVPE法制备GaN同质衬底

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