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Si衬底上GaN厚膜生长及Cr掺杂GaN性质研究

作 者: 颜怀跃
导 师: 修向前
学 校: 南京大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: GaN Cr Si 衬底 厚膜 半导体材料 缓冲层 性质研究 高温生长 击穿电场 外延生长 室温铁磁 MOCVD 施主能级 外延层 附加反应 带边 发光二极管 纤锌矿结构 单晶取向
分类号: O484.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


近年来,GaN材料以其优异的光电性质和稳定的化学性质在光电信息技术领域越来越受到人们的关注。GaN材料是直接带隙半导体材料,具有禁带宽、电子饱和速率高、击穿电场高、热稳定性好、化学稳定性强等优点。目前,基于GaN及其化合物的激光二极管和发光二极管已经实现商业化应用。另外,GaN材料的禁带宽度宽,适用于制备短波长光电子器件;GaN材料的击穿电场高,适用于制备高频器;GaN材料的化学性质稳定,抗辐射能力强,可以在高辐射环境下工作。由于热力学性质的限制,GaN体材料的生长仍然存在较大的困难。近年来,利用HVPE方法生长高质量的GaN方面已经取得了很大的进展。HVPE方法具有生长速率高的优点,适用于生长GaN厚膜,进而可以获得GaN的体材料。这种厚膜可以作为进一步外延生长高质量GaN的衬底材料。本文利用自制的卧式HVPE设备,在Si衬底上生长了GaN厚膜,在蓝宝石衬底上生长了Cr掺杂GaN厚膜。并通过多种测试手段,研究了Si衬底GaN厚膜和Cr掺杂GaN厚膜的结构、光学、电学等性质,主要研究结果如下:1、使用HVPE方法,在Si(111)衬底上生长低温GaN缓冲层,然后再高温外延生长GaN厚膜。实验中,低温生长GaN缓冲层的温度为600℃,生长时间分别为30s、60s、120s。结果表明,低温GaN缓冲层厚度对高温GaN厚膜的性质影响较大。这一结果主要是由两方面原因造成:随着缓冲层生长时间的增加,缓冲层厚度增加,阻挡附加反应的作用也相应增强,缓冲层生长时间为30s和60s的样品为多晶结构,而缓冲层生长时间为120s的样品,相对具有较好的单晶性;然而,随着缓冲层厚度的增加,缓冲层的粗糙度也相应增强,影响了外延高温GaN厚膜的晶体质量。2、采用MOCVD生长的AlN缓冲层,通过改变高温生长GaN厚膜的Ⅴ/Ⅲ比,研究了Si(111)衬底上获得高质量GaN外延厚膜的方法。HCl流量分别设置为5 sccm、10sccm、15 sccm和20sccm(对应的Ⅴ/Ⅲ比分别为200、100、200/3和50)。并利用X射线衍射(XRD)、光致发光谱(PL)、喇曼光谱(Raman)等技术研究了GaN厚膜的结构和光学性质。结果表明:随着HCl流量的增加,Ⅴ/Ⅲ比逐渐降低,GaN的晶体特性和光学特性得到改善。在Ⅴ/Ⅲ比为50的条件下生长的GaN厚膜具有六方纤锌矿结构,外延层中存在的张应力较小,为0.17 GPa,在363.7nm处具有很强的GaN带边发光峰,没有黄带出现。AlN缓冲层有效的阻止了Si衬底和反应气体发生非生长的附加反应,并减小了GaN厚膜自身残余应力,有利于Si(111)衬底上HVPE GaN厚膜的生长。3、采用HVPE方法制备了Cr掺杂的单晶GaN厚膜,样品具有较好的单晶取向,没有诸如CrN化合物团簇或单质Cr团簇等其他相结构的存在,掺杂的Cr元素主要以Ga替位形式进入GaN晶格。在510-530 cm-1频移范围内存在由替位Cr原子相关晶格缺陷所产生的Raman振动模式。在Ec-200meV处,存在着CrGa-VN复合缺陷态所引起施主能级。样品测得的磁滞回线中没有显现出磁滞行为,这说明没有其他相存在的情况下,GaCrN样品本身不具备室温铁磁性。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-22
  §1.1 Ⅲ族氮化物半导体材料特点概述  9-12
  §1.2 氮化镓材料的外延生长技术  12-15
  §1.3 氮化镓外延衬底材料的选择  15-17
  §1.4 氮化镓基稀磁半导体材料的研究进展  17-19
  §1.5 本论文的主要工作  19-20
  参考文献  20-22
第二章 Si(111)衬底上GaN厚膜HVPE生长  22-41
  §2.1 引言  22-24
  §2.2 低温GaN缓冲层对Si基GaN厚膜性质的影响  24-30
    §2.2.1 实验过程  24-25
    §2.2.2 实验结果与讨论  25-30
  §2.3 AlN缓冲层上Si基GaN厚膜HVPE生长  30-37
    §2.3.1 实验过程  30-31
    §2.3.2 实验结果与讨论  31-37
  §2.4 本章小结  37-39
  参考文献  39-41
第三章 Cr掺杂GaN厚膜的制备和研究  41-54
  §3.1 引言  41-43
  §3.2 Cr掺杂GaN厚膜的制备和研究  43-51
    §3.2.1 实验过程  43-44
    §3.2.2 实验结果与讨论  44-51
  §3.3 本章小结  51-52
  参考文献  52-54
第四章 结论  54-55
攻读硕士期间发表的论文目录  55-56
致谢  56-57

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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