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等离子体增强原子层沉积AlN上MOCVD外延单晶GaN研究

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无机材料学报 2024年

作者：卢灏许晟瑞黄永陈兴徐爽刘旭王心颢高源张雅超段小玲张进成郝跃西安电子科技大学芜湖研究院先进微电子器件研究中心西安电子科技大学微电子学院

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，具有较大的禁带宽度，较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优秀特性，被广泛应用于电子器件和光电子器件中。早期工艺制备GaN材料由于与衬底的失配问题，导致难以获得高质量单晶... 详细信息

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，具有较大的禁带宽度，较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优秀特性，被广泛应用于电子器件和光电子器件中。早期工艺制备GaN材料由于与衬底的失配问题，导致难以获得高质量单晶GaN薄膜。直到两步生长法的提出，先在衬底上低温生长氮化铝(AlN)成核层，再高温生长GaN，极大提高了GaN的材料质量。为了继续提高GaN晶体质量，目前用于制备AlN成核层的方法有磁控溅射以及分子束外延等。本研究提出在两英寸c面蓝宝石衬底上使用原子层沉积(Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition， PEALD)方法制备AlN成核层来外延GaN。相比于磁控溅射方法，PEALD方法制备AlN的晶体质量更好；相比于分子束外延方法，PEALD方法的工艺简单，成本低以及产量大。沉积AlN测试结果表明，AlN沉积速率为0.1 nm/cycle；AlN薄膜具有随其厚度变化而变化的岛状形貌。外延GaN测试结果表明，当沉积厚度为20.8 nm的AlN时，GaN外延层有最平整的表面，均方根粗糙度为0.272 nm，同时具有最好的光学特性，以及最低的位错密度。总之，本研究提出了一种在PEALD沉积AlN上外延单晶GaN的新方法，沉积20.8 nm的AlN有利于获取高质量的GaN薄膜，可以用于制备高电子迁移率晶体管及发光二极管。

关键词： GaN AlN PECVD 成核层外延

成核层温度对非掺杂GaN外延薄膜结晶质量的影响

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人工晶体学报 2015年第8期44卷 2123-2129页

作者：孙成真贾志刚尚林孙佩余春燕张华李天保太原理工大学新材料界面科学与工程教育部和山西省重点实验室太原030024 太原理工大学新材料工程技术研究中心太原030024 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

利用金属有机化学气相沉积系统(MOCVD),在蓝宝石的(0001)面采用不同的成核层生长温度,通过两步法获得不同质量的Ga N外延薄膜。利用HALL测试仪,高分辨X射线衍射仪(HRXRD),原子力显微镜(AFM)和光致发光光谱仪(PL)对Ga N薄膜的表面形貌,... 详细信息

利用金属有机化学气相沉积系统(MOCVD),在蓝宝石的(0001)面采用不同的成核层生长温度,通过两步法获得不同质量的Ga N外延薄膜。利用HALL测试仪,高分辨X射线衍射仪(HRXRD),原子力显微镜(AFM)和光致发光光谱仪(PL)对Ga N薄膜的表面形貌,位错密度,光学性能等进行表征,研究不同的成核温度对Ga N外延薄膜晶体质量的影响。结果表明,在成核层生长温度为650℃时,所得到的Ga N外延薄膜表面粗糙度和位错密度均达到最低,并且同时具有最高的带边发光峰强度,最高的载流子迁移率以及最低的载流子浓度。过低或过高的成核温度都会导致Ga N外延层的晶体质量和光电性能变差。

关键词： GaN 金属有机化学气相沉积成核层生长温度

使用溅射AlN成核层实现大规模生产深紫外LED

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半导体技术 2017年第9期42卷 675-680页

作者：杜泽杰段瑞飞魏同波张硕王军喜曾一平冉军学李晋闽中国科学院半导体研究所半导体照明研发中心北京100083

高质量AlN薄膜对制造高性能深紫外器件非常重要,但是目前还很难使用大型工业MOCVD生长出高质量的AlN薄膜。采用磁控溅射制备了不同厚度的用作成核层的AlN薄膜,使用大型工业MOCVD直接在成核层上高温生长AlN外延层,研究了不同成核层对AlN... 详细信息

高质量AlN薄膜对制造高性能深紫外器件非常重要,但是目前还很难使用大型工业MOCVD生长出高质量的AlN薄膜。采用磁控溅射制备了不同厚度的用作成核层的AlN薄膜,使用大型工业MOCVD直接在成核层上高温生长AlN外延层,研究了不同成核层对AlN外延层质量的影响。通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对成核层AlN薄膜的表面形貌进行表征;使用高分辨X射线衍射仪对AlN外延层晶体质量进行表征,结果表明:在溅射成核层上生长的AlN外延层的晶体质量有显著提高。使用大型工业MOCVD在蓝宝石衬底上成功制备出中心波长为282 nm的可商用深紫外LED,在注入电流为20 m A时,单颗深紫外LED芯片的光输出功率达到了1.65 m W,对应的外量子效率为1.87%,饱和光输出功率达到4.31 mW。

关键词：金属有机物化学气相沉积(MOCVD) 氮化铝(AlN) 深紫外发光二极管(UV-LED) 成核层磁控溅射

氮气载气MOCVD外延生长GaN成核层研究

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山西大学学报(自然科学版) 2020年第1期43卷 89-94页

作者：刘磊宿星亮王申山西大学物理电子工程学院

在GaN薄膜外延生长过程中,成核层的质量对外延薄膜的质量有着重要的影响。因此,虽然氮气气氛下生长高质量成核层是一个难点,但从安全和成本角度来考虑,值得去攻克这个难点。文章在氮气气氛下使用Thomas Swan 2英寸19片MOCVD(metal-organ... 详细信息

在GaN薄膜外延生长过程中,成核层的质量对外延薄膜的质量有着重要的影响。因此,虽然氮气气氛下生长高质量成核层是一个难点,但从安全和成本角度来考虑,值得去攻克这个难点。文章在氮气气氛下使用Thomas Swan 2英寸19片MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)工业级生长设备在蓝宝石衬底上生长GaN成核层并利用原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)对样品表面进行表征。进一步研究了生长温度、生长时间、Ga源流量对GaN成核层的影响。结果表明GaN成核层的生长时间在2 min内呈均匀单层生长,生长温度在750℃以下成核岛分布均匀,Ga源流量与GaN生长速率呈线性关系,可简单的通过控制Ga源流量控制GaN成核层生长速率。

关键词：氮化镓外延生长成核层金属有机物化学气相沉积

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GaN成核层的MOCVD外延生长研究

GaN成核层的MOCVD外延生长研究

作者：叶腾山西大学

学位级别：硕士

作为第三代半导体材料的代表,GaN具有稳定的化学性质,宽禁带以及高的热导率、载流子浓度、饱和电子迁移速率等优点,被广泛应用于照明、微电子和通讯等领域。目前获得高质量GaN薄膜的主要方式是在氢气气氛下利用两步法进行异质结外延生... 详细信息

作为第三代半导体材料的代表,GaN具有稳定的化学性质,宽禁带以及高的热导率、载流子浓度、饱和电子迁移速率等优点,被广泛应用于照明、微电子和通讯等领域。目前获得高质量GaN薄膜的主要方式是在氢气气氛下利用两步法进行异质结外延生长。使用氢气作为气氛在获得更高薄膜质量的同时也带来了安全性差、制备难度高且价格更加昂贵的缺点。采用氮气作为生长气氛可以很好的解决这些问题,因此如何在氮气气氛下获得高质量的GaN薄膜成为了研究热点。本文在针对GaN薄膜质量有重要影响的成核层表面形貌展开研究,在(0001)面的Sapphire衬底上利用MOCVD方法外延生长了GaN的成核层和薄膜。首先,在氢气气氛下,通过改变成核层的生长温度、反应室压强、Ⅴ/Ⅲ族比、高温氮化和高温退火比较不同生长参数对成核层表面形貌的影响,获得了不同生长条件对成核层表面形貌特征的影响规律。随后,研究了在氢气和氮气两种气氛下成核层的表面形貌演化方式,结果表明在氢气气氛下,成核层的岛状结构在纵向的增长要比在径向的增长大,而在氮气气氛下,岛状结构在径向的增长要大于在纵向的增长。最后,在氮气气氛下和氢气气氛下分别生长GaN薄膜,发现了氮气和氢气气氛下生长的GaN薄膜内部都存在不同程度的压应力,并且得出了氮气气氛下生长的GaN薄膜内压应力较小。通过改变成核层的生长条件,我们得到了一系列结果。一方面,这些结果解释了GaN成核层的成核机制。另一方面,这些结果对GaN薄膜的生长都将提供很好的指导和参考。

关键词：氮化镓氮气气氛成核层金属有机化学气相沉积(MOCVD)

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基于不同成核层的碳化硅基底反射镜特性研究

航天返回与遥感 2019年第6期40卷 59-66页

作者：何世昆白云立周于鸣张继友黄巧林王利北京空间机电研究所北京100094 先进光学遥感技术北京市重点实验室北京100094

不同的成核材料对金属Ag薄膜生长具有不同的细化作用,材料晶格常数差异会导致不同薄膜材料在生长过程中产生不同的表面弛豫现象,导致薄膜生长模式差异。由于材料特性及制备工艺限制,成型SiC材料表面和坯体中会存在一定的孔洞缺陷,抛光后... 详细信息

不同的成核材料对金属Ag薄膜生长具有不同的细化作用,材料晶格常数差异会导致不同薄膜材料在生长过程中产生不同的表面弛豫现象,导致薄膜生长模式差异。由于材料特性及制备工艺限制,成型SiC材料表面和坯体中会存在一定的孔洞缺陷,抛光后的SiC,特别是反应烧结SiC基底表面粗糙度依然较大,表面镀制的金属膜由于对基底形貌的复制,具有较大的散射,影响光学系统的成像品质。为改善具有表面孔洞RB-SiC材料的表面特性,利用热蒸发工艺分别在抛光RB-SiC表面沉积了10nm厚的Cr、Ti、Ge三种不同成核材料,对孔洞形貌改变、表面粗糙度进行分析;并进一步研究了RB-SiC基底沉积三种成核材料金属Ag反射镜的特性。研究结果表明,由于材料晶格常数差异导致不同薄膜材料在生长过程中产生的表面弛豫强弱不同,Cr、Ti、Ge三种成核材料在RB-SiC表面孔洞中的生长方式不同;金属Ti具有更好的孔洞修补能力,并且沉积100nm金属Ag后对可见光谱的杂散光最小。

关键词：碳化硅成核层金属银生长模式大口径反射镜

成核层生长工艺对紫外LED外延片性能的影响

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电子元器件与信息技术 2019年第4期 92-94页

作者：孟锡俊李建婷西安中为光电科技有限公司

目前LED产品已经形成了成熟且稳定的产业,新兴的紫外LED的市场也随之发展迅速,使得越来越多的技术人员开始开发研究。本文通过对成核层工艺的研究,结合外延过程中的翘曲情况,得到了成核层生长工艺对紫外LED外延片性能的影响效果。

关键词：成核层翘曲紫外LED 一致性

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GaN基异质结缓冲层漏电分析

物理学报 2009年第3期58卷 1959-1965页

作者：张进城董作典秦雪雪郑鹏天刘林杰郝跃西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件重点实验室西安710071

通过对GaN基异质结材料C-V特性中耗尽电容的比较,得出AlGaN/GaN异质结缓冲层漏电与成核层的关系.实验结果表明,基于蓝宝石衬底低温GaN成核层和SiC衬底高温AlN成核层的异质结材料比基于蓝宝石衬底低温AlN成核层异质结材料漏电小、背景载... 详细信息

通过对GaN基异质结材料C-V特性中耗尽电容的比较,得出AlGaN/GaN异质结缓冲层漏电与成核层的关系.实验结果表明,基于蓝宝石衬底低温GaN成核层和SiC衬底高温AlN成核层的异质结材料比基于蓝宝石衬底低温AlN成核层异质结材料漏电小、背景载流子浓度低.深入分析发现,基于薄成核层的异质结材料在近衬底的GaN缓冲层中具有高浓度的n型GaN导电层,而基于厚成核层的异质结材料的GaN缓冲层则呈高阻特性.GaN缓冲层中的n型导电层是导致器件漏电主要因素之一,适当提高成核层的质量和厚度可有效降低GaN缓冲层的背景载流子浓度,提高GaN缓冲层的高阻特性,抑制缓冲层漏电.

关键词： AlGaN/GaN异质结 GaN缓冲层漏电成核层

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蓝宝石衬底上HVPE-GaN表面形貌研究

半导体技术 2008年第11期33卷 988-990页

作者：徐永宽程红娟杨巍于祥潞赖占平严如岳中国电子科技集团公司第四十六研究所天津300220

通过研究蓝宝石衬底上HVPE-GaN的表面形貌,指导HVPE-GaN工艺。工艺是在自制的立式HVPE设备上进行的,通过显微镜观察了各种不同工艺条件下的GaN表面形貌。发现不采用成核层直接生长的GaN表面粗糙为多晶,而采用低温成核层所得到的GaN表面... 详细信息

通过研究蓝宝石衬底上HVPE-GaN的表面形貌,指导HVPE-GaN工艺。工艺是在自制的立式HVPE设备上进行的,通过显微镜观察了各种不同工艺条件下的GaN表面形貌。发现不采用成核层直接生长的GaN表面粗糙为多晶,而采用低温成核层所得到的GaN表面随着Ⅴ/Ⅲ比由大到小,从包状表面向坑状表面过渡,通过选择合适的Ⅴ/Ⅲ,可以得到表面光滑、无色透明的GaN。其XRD摇摆曲线半高宽为450 arcs,表面粗糙度为0.9 nm。

关键词：氮化镓氢化物气相外延表面形貌晶体生长成核层