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横向外延技术的理论分析与两步生长法的实验研究

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横向外延技术的理论分析与两步生长法的实验研究

作者：刘磊北京邮电大学

学位级别：硕士

本论文的研究工作是围绕以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”（项目编号：2003CB314900）中课题1“单片集成光电子器件的异质兼容理论... 详细信息

本论文的研究工作是围绕以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”（项目编号：2003CB314900）中课题1“单片集成光电子器件的异质兼容理论与重要结构工艺创新”（项目编号：2003CB314901）、以及黄辉副教授承担的教育部“新世纪人才支持计划”（批准号：NCET-05-0111）展开的。今天，随着信息技术的发展，光通信技术作为信息社会的“神经”，其基础地位日益凸现。波分复用与全光网络在光通信技术中脱颖而出，已成为人们研究的焦点。这些技术希望能够同时利用光的高速特性与电的成熟特性，因此，如何将具备不同光电特性的异质半导体材料，尤其是以GaAs、InP为代表的Ⅲ／Ⅴ族化合物半导体材料与Si集成在一起，改善异质兼容的性能，从而为实现光电子器件的单片集成及准单片集成提供衬底基础的问题，已经成为人们研究的重中之重。本论文围绕着光电子集成中大失配异质外延的横向外延技术与两步生长技术的若干理论问题开展了系统的研究，并在实验上对这些实现方法进行了有益的探索。取得的主要成果如下： 1．建立了基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术的横向外延（ELOG）生长速率模型。该模型将气相扩散与掩膜表面扩散相结合，解释了掩膜宽度、窗口宽度以及有效掩膜宽度对ELOG中横向和纵向生长速率的作用机制。其结论与已有文献报道的实验相一致;2．依据Khenner等人建立的ELOG晶体形貌演进模型，利用Matlab与Fortran混合编程技术编写了计算程序，讨论了模型求解的若干数学问题。这部分工作与生长速率模型一起，为未来的晶体表面动态模拟提供了理论与计算机程序基础;3．在本课题组周静博士地带领下，采用扫描电子显微镜（SEM）对ELOG外延片进行测试。测试结果表明：本课题组探索的InP／GaAs横向外延技术，其生长过程与生长速率的理论分析相吻合，为下一步研究GaAs与InP光电子器件的集成奠定了基础;4．在本课题组熊德平博士地带领下，利用低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）技术，采用基于低温非晶缓冲层的两步生长方法，开展了在（100）Si衬底上直接异质外延GaAs的实验研究。优化得到的GaAs低温缓冲层生长条件为：生长温度为450℃，生长时间为250s。在此基础上生长了厚度为1.4μm的正常GaAs外延层，DCXRDω-2θ测试得到的半高宽为493.6arcsec。

关键词：光电集成异质外延金属有机化学气相沉积横向外延低温缓冲层

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蓝宝石上横向外延GaN薄膜

Journal of Semiconductors 2007年第z1期28卷 33-36页

作者：张帷郝秋艳景微娜刘彩池冯玉春河北工业大学信息功能材料研究所天津300130 深圳大学光电研究所广东光电子器件与系统省重点实验室光电子器件与系统教育部重点实验室深圳518060

在蓝宝石衬底上利用金属有机物气相外延(MOCVD)方法对横向外延(ELO)GaN薄膜的生长条件进行了研究.在蓝宝石衬底上利用化学腐蚀的方法刻饰出图案,再沉积低温GaN缓冲层作为外延层的子晶层,以降低外延层与衬底的晶格失配与热失配,制备出低... 详细信息

在蓝宝石衬底上利用金属有机物气相外延(MOCVD)方法对横向外延(ELO)GaN薄膜的生长条件进行了研究.在蓝宝石衬底上利用化学腐蚀的方法刻饰出图案,再沉积低温GaN缓冲层作为外延层的子晶层,以降低外延层与衬底的晶格失配与热失配,制备出低位错密度的GaN外延层.分别利用X射线衍射、原子力显微镜及湿法腐蚀对外延层进行检测.

关键词： GaN 横向外延金属有机物气相外延 (0001)蓝宝石衬底

基于金属催化等离子体刻蚀的MPCVD单晶金刚石生长缺陷调控

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硅酸盐学报 2023年第6期51卷 1374-1380页

作者：李一村文东岳郝晓斌代兵刘本建朱嘉琦韩杰才哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室哈尔滨150080

单晶金刚石作为一种性能优异的半导体材料,在功率器件、深空探测等领域具有广阔的应用前景。然而采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的单晶金刚石通常含有大量的缺陷,尤其是位错,严重限制了其电学性能的发挥。横向外延生长是半... 详细信息

单晶金刚石作为一种性能优异的半导体材料,在功率器件、深空探测等领域具有广阔的应用前景。然而采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的单晶金刚石通常含有大量的缺陷,尤其是位错,严重限制了其电学性能的发挥。横向外延生长是半导体材料中常用的缺陷调控方法,近年也被应用于金刚石材料制备领域。本研究首先通过金属催化等离子体刻蚀在单晶金刚石籽晶上构造图形阵列,从而为同质外延单晶制备创造横向生长条件;随后通过MPCVD法在此基础上进行单晶金刚石制备,研究了横向外延生长过程并对样品进行了激光共聚焦显微镜、偏光显微镜、Raman光谱和缺陷密度测试。测试表明该方法能够稳定可控的制备图形化生长所需的阵列并降低生长层的缺陷密度。

关键词：微波等离子体化学气相沉积单晶金刚石横向外延缺陷调控

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低缺陷AlN和GaN基材料的生长和表征

低缺陷AlN和GaN基材料的生长和表征

作者：訾亚丽西安电子科技大学

学位级别：硕士

Ⅲ族氮化物材料有着优良性能,其制备的器件用途广泛,在照明领域、通信领域、激光探测领域都有其身影。Ⅲ族氮化物材料不能像Si一样采用拉制单晶的方法制备,而获得高质量和低缺陷的薄膜材料是器件应用的基础,所以近年来对低缺陷Ⅲ族氮化... 详细信息

Ⅲ族氮化物材料有着优良性能,其制备的器件用途广泛,在照明领域、通信领域、激光探测领域都有其身影。Ⅲ族氮化物材料不能像Si一样采用拉制单晶的方法制备,而获得高质量和低缺陷的薄膜材料是器件应用的基础,所以近年来对低缺陷Ⅲ族氮化物材料的外延生长有很多的研究。为了减少缺陷位错密度,研究人员采用了一些有效的生长方法:横向外延生长法、图形化衬底外延生长法等,但这些方法采用的大多是微米级别的图形,在微米图形化上外延生长需要的生长温度较高,图形化合并的厚度较厚,这对很多Ⅲ族氮化物材料尤其对AlN材料是很难实现的。在纳米图形化上外延生长则可以很好的弥补上述缺点。而纳米图形化上外延生长Ⅲ族氮化物材料的研究还处于较浅显的阶段,特别是内部机理的分析领域几乎还是空白。为了找到更好的制备Ⅲ族氮化物材料外延生长的方法,本文选择纳米图形化作为研究重点,引入新的外延生长法:在纳米图形化上外延低缺陷的Ⅲ族氮化物材料。本文主要使用两种方法:纳米球掩膜法制备纳米图形化,并实现GaN的外延生长;电子束曝光法制备纳米图形化,并实现AlN的外延生长。主要研究内容和成果如下:1)单层纳米球的涂布研究。通过氧等离子体处理提高GaN基片的亲水性。加入SDS表面活性剂,使得纳米球在气液自组织界面的排布更紧密均匀,由此来提拉得到更均匀紧密的单层自组装纳米球薄膜。2)不同直径二氧化硅纳米球掩膜刻蚀的纳米图形化上GaN的外延生长的研究。首先,在GaN的外延片上依次制造直径300nm、400nm、500nm的自组装单层二氧化硅纳米球。其次,设置3000?的理论刻蚀深度。最后,进行外延过生长。实验结果表明,相比平面蓝宝石衬底上外延生长的GaN,纳米图形化上外延生长的GaN的（102）、（002）面的半高宽均下降。三种尺寸的纳米球中,直径为500nm的纳米球作为掩膜时,GaN（002）面半高宽从270arcsec下降到248arcsec,（102）面半高宽从390arcsec下降到236arcsec。3)电子束光刻法制备纳米图形的研究。研究电子束光刻的工艺流程包括光刻掩膜版的设计、纳米图形的设计、电子束光刻的实现工艺、ICP刻蚀等,最终得到设计的纳米图形。4)阵列式圆孔状纳米图形化上AlN的外延生长的研究。首先,设计理论直径为300nm周期600nm的圆形阵列式图形。其次,根据工艺流程制备纳米图形。最后,在制备的纳米图形化的AlN上继续外延生长AlN。实验结果表明,纳米图形化上AlN的外延生长温度为1050℃,远低于文献中采用的1300℃的生长温度。XRD测试结果表明,纳米图形化上外延的AlN的（102）面半高宽从890arcsec降低到470arcsec,而（002）面的半高宽相对增大,在AlN晶体中刃型位错占据的比例更大,而刃型位错和（102）面的半高宽有关,因此纳米图形化上AlN的外延生长的整体位错密度是降低的。5)实验结果得出三种缺陷减少机制:纳米尺度图形化模式下的横向外延生长;位错弯曲诱导终止于局部介质界面;残留的纳米气孔提供了一种附加的位错减少机制。

关键词： GaN AlN 纳米图形化晶体质量横向外延

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MOCVD外延生长GaN材料的技术进展

半导体技术 2010年第3期35卷 201-204页

作者：张冠英梅俊平解新建河北工业大学天津300130

第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景,目前制备GaN的方法主要有分子束(MBE)、氯化物气相外延(HVPE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。其中HVPE技术制备GaN的速度最快,适合制备衬底材料;MBE... 详细信息

第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景,目前制备GaN的方法主要有分子束(MBE)、氯化物气相外延(HVPE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。其中HVPE技术制备GaN的速度最快,适合制备衬底材料;MBE技术制备GaN的速度最慢;而MOCVD制备速度适中。因而MOCVD在外延生长GaN材料方面得到广泛应用。介绍了MOCVD法外延生长GaN材料的基本理论、发展概况、利用MOCVD法外延生长GaN材料的技术进展。认为应结合相关技术发展大面积、高质量GaN衬底的制备技术,不断完善缓冲层技术,改进和发展横向外延技术,加快我国具有国际先进水平的MOCVD设备的研发速度,逐步打破进口设备的垄断。

关键词：金属有机化合物化学气相沉积氮化镓异质外延横向外延 MOCVD设备

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高质量GaN薄膜生长工艺的研究进展

材料导报 2010年第7期24卷 127-131页

作者：梁李敏刘彩池解新建王清周河北工业大学材料学院天津300130

概述了GaN异质外延生长中衬底的选择以及缺陷的形成机理,从缓冲层技术、横向外延技术、柔性衬底技术等生长工艺方面综述了国内外GaN基半导体薄膜生长的最新研究和进展,并对其优缺点进行了分析比较,认为发展同质外延将有希望解决现在异... 详细信息

概述了GaN异质外延生长中衬底的选择以及缺陷的形成机理,从缓冲层技术、横向外延技术、柔性衬底技术等生长工艺方面综述了国内外GaN基半导体薄膜生长的最新研究和进展,并对其优缺点进行了分析比较,认为发展同质外延将有希望解决现在异质外延生长中存在的问题,最后展望了GaN基薄膜同质外延生长的前景。

关键词： GaN 缺陷异质外延横向外延缓冲层柔性衬底

MPCVD单晶金刚石生长及其电子器件研究进展

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人工晶体学报 2020年第11期49卷 2139-2152页

作者：王艳丰王宏兴西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室西安710049 西安交通大学电子与信息学部宽禁带半导体与量子器件研究所西安710049

本综述分析了微波等离子化学气相沉积(MPCVD)单晶金刚石生长及其电子器件近年来的研究进展,并对其进行展望。详细介绍了金刚石宽禁带半导体特性、生长原理、生长设备、衬底处理。研究了影响MPCVD单晶金刚石生长的关键因素,为获得最优生... 详细信息

本综述分析了微波等离子化学气相沉积(MPCVD)单晶金刚石生长及其电子器件近年来的研究进展,并对其进行展望。详细介绍了金刚石宽禁带半导体特性、生长原理、生长设备、衬底处理。研究了影响MPCVD单晶金刚石生长的关键因素,为获得最优生长条件提供指导。分析了横向外延、拼接生长、三维生长等关键性生长技术,逐步提高单晶金刚石的质量和面积。在金刚石掺杂的研究中,详细介绍了n型和p型掺杂的研究进展。通过对金刚石肖特基二极管、氢终端金刚石场效应晶体管、紫外探测器的研究,展现了金刚石在电子器件领域的成果和进展。最后总结了MPCVD单晶金刚石生长及其电子应用过程中面临的挑战,展望了金刚石在电子器件领域的巨大应用前景。

关键词：金刚石 MPCVD 横向外延拼接生长掺杂二极管场效应晶体管探测器

衬底处理对MOCVD外延生长GaN薄膜性能的影响

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衬底处理对MOCVD外延生长GaN薄膜性能的影响

作者：景微娜河北工业大学

学位级别：硕士

宽带隙的GaN基Ⅲ族氮化物,在高效光电子器件制作中有着广泛的应用,是半导体材料研究领域的前沿课题之一。本文利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长技术,在经过腐蚀处理的蓝宝石衬底上生长出了高质量的GaN外延层,并与在常规衬底上生长... 详细信息

宽带隙的GaN基Ⅲ族氮化物,在高效光电子器件制作中有着广泛的应用,是半导体材料研究领域的前沿课题之一。本文利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长技术,在经过腐蚀处理的蓝宝石衬底上生长出了高质量的GaN外延层,并与在常规衬底上生长的GaN外延层进行了对比。本文通过大量实验摸索出蓝宝石衬底的最佳腐蚀条件,腐蚀温度为265℃,腐蚀时间为45~50min。在经过腐蚀的蓝宝石衬底上,利用MOCVD系统外延生长GaN薄膜,提出了腐蚀处理衬底上外延GaN薄膜的外延生长模型,分析了在经过腐蚀的蓝宝石衬底上形成横向外延生长模式的生长机理。对衬底经过腐蚀和未经腐蚀的样品进行了性能对比,结果表明衬底经过腐蚀的样品,其外延层表面形貌、缺陷密度、残余应力均优于衬底未经腐蚀的样品。黄带和蓝带的强度变化均与缺陷密度相关,黄光带强度的降低说明这种衬底处理方法可以提高外延层发光性能。在经过腐蚀处理的蓝宝石衬底上,对InGaN三元合金的制备做了初步研究,得到了高质量的InGaN三元合金,其XRD图谱出现4个量子阱卫星峰,量子阱界面清晰。PL光谱在蓝光区域出现了半高宽为26nm的发光峰,说明具有较好的发光特性。

关键词：氮化镓金属有机化学气相沉积（MOCVD）横向外延衬底腐蚀残余应力

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《智永真書千字文》技法讲座(连载·19)

青少年书法（少年版） 2012年第2期 5-7页

作者：卢国联

字形结构整体感较强,形态横向拓宽了;"积",左右部件挤得较紧,结构由此本应显得方正,但左右两横向外延伸,使字形还是呈扁宽形;"枝",左部横延长,右部捺延伸,这两个笔画的突出足以使字形改变;"政",左右两部紧密相拥,夸张的一捺,使字形变扁了.

关键词：千字文技法讲座字形结构横向外延横向拓宽整体感形态形变密相夸张方正笔画