MOCVD生长的GaN_Mg外延膜的光电性质_英文_
mocvd外延生长步骤
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MOCVD外延生长步骤简介MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)是一种常用的半导体外延生长技术,广泛应用于半导体器件制造中。
本文将详细介绍MOCVD外延生长的步骤和相关原理。
基本原理MOCVD是一种化学气相沉积技术,通过在高温下将金属有机化合物和载气反应,从而在衬底上沉积出所需的材料。
整个过程可以分为以下几个步骤:1.衬底预处理:在进行外延生长之前,需要对衬底进行预处理,以去除表面的杂质和氧化物,并提供一个干净平整的基础。
2.加载衬底:将经过预处理的衬底放置在反应室中,并通过真空系统排除其中的空气和水分。
3.加热:使用加热装置将反应室升温至所需温度。
温度通常在500°C到1200°C之间,具体取决于要生长的材料。
4.载气流入:引入适当的载气(如氢气或氮气)到反应室中,以稀释金属有机化合物的浓度,并提供反应所需的气氛。
5.金属有机化合物进入:将金属有机化合物(如三甲基镓、三乙基铝等)通过气体进料系统引入反应室。
这些化合物会在高温下分解,释放出所需的金属元素。
6.生长反应:金属元素与载气中的氢原子发生反应,形成所需材料的沉积物。
反应过程中需要控制温度、压力和流量等参数,以获得理想的生长速率和材料质量。
7.冷却:在完成生长后,将反应室冷却至室温,停止外延生长过程。
8.取出衬底:将外延生长后的衬底从反应室中取出,并进行后续处理和测试。
过程优化为了获得高质量的外延薄膜,需要对MOCVD过程进行优化。
以下是一些常用的优化方法:1.材料选择:选择适当的金属有机化合物和载气组合,以获得所需材料的最佳生长条件。
2.温度控制:通过精确控制反应室的温度,可以调节外延生长速率和材料品质。
温度过高可能导致材料熔化或不稳定,而温度过低则可能影响生长速率和结晶质量。
3.气氛控制:合理选择和调节载气的流量和压力,以提供适当的反应气氛。
过高的压力可能导致材料堆积过厚或形成颗粒,而过低的压力则可能影响生长速率和均匀性。
MOCVD简介
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MOCVDMOCVD是金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor DeP osition)的英文缩写。
MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术.它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
通常MOCVD系统中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行,衬底温度为500-1200℃,用射频感应加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方),H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。
MOCVD技术具有下列优点:(l)适用范围广泛,几乎可以生长所有化合物及合金半导体;(2)非常适合于生长各种异质结构材料;(3)可以生长超薄外延层,并能获得很陡的界面过渡;(4)生长易于控制;(5)可以生长纯度很高的材料;(6)外延层大面积均匀性良好;(7)可以进行大规模生产。
MOCVD系统组成因为MOCVD生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质,并且要生长多组分、大面积、薄层和超薄层异质材料。
因此在MOCVD系统的设计思想上,通常要考虑系统密封性,流量、温度控制要精确,组分变换要迅速,系统要紧凑等。
不同厂家和研究者所产生或组装的MOCVD设备是不同的,但一般来说,MOCVD设备是由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理及安全防护报警系统、自动操作及电控系统等组成。
l)源供给系统包括Ⅲ族金属有机化合物、V族氢化物及掺杂源的供给。
金属有机化合物装在特制的不锈刚的鼓泡器中,由通入的高纯H2携带输运到反应室。
为了保证金属有机化合物有恒定的蒸汽压,源瓶置入电子恒温器中,温度控制精度可达0.2℃以下。
氢化物一般是经高纯H2稀释到浓度5%一10%后,装入钢瓶中,使用时再用高纯H2稀释到所需浓度后,输运到反应室。
MOCVD外延系统的介绍
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MOCVD外延系统的介绍MOCVD之原理MOCVD(metal-organicchemicalvapordeposition)反应为一非平衡状态下成长机制,其原理为利用有机金属化学气相沉积法. MOCVD技术起源于Manaservil 等早期(1968)[2]研究。
他们在水冷却的反应室里用三乙基镓(TEGa)和砷化氢生长单晶GaAs。
随后,在1969年Manaservil 和Simpson[3],1970年Manaservil 和Hess[4]把这种技术应用到GaAsPy、GaAsSb以及含Al化合物的生长上。
组分和生长速率均由精确控制的源流量和各种不同的成分气流所控制。
III族有机源可以是液体如三甲基镓 (TMGa),也可以是固体如TMIn。
通过调节源瓶的温度,精确控制源的压力。
通过载气把它们携带到反应室。
V族源一般是气态氢化物(如GaN生长用的NH)。
通常MOVPE3使用高频或其它加热方式使反应管壁的温度大大低于内部加热的衬底的温度,这时在管壁上不成核,使管壁反应消耗降低。
但是由于当时技术条件所限,它的发展比较缓慢,直到80年代初期才成为比较成熟的外延技术,并得到了广泛应用,日益成为介观物理、半导体材料和器件研究以及生产领域最重要的外延技术之一。
MOVPE技术易实现低压外延生长,能减少自掺杂;有希望在重掺的衬底上进行窄过渡层的外延生长;能减少外延生长过程的存储效应和过渡效应,从而获得衬底—外延层界面杂质分布更陡的外延层。
MOCVD之系统MOCVD对镀膜成分、晶相等品质容易控制,可在形状复杂的基材 衬底 上形成均匀镀膜,结构密致,附着力良好之优点,因此MOCVD已经成为工业界主要的镀膜技术。
MOCVD制程依用途不同,制程设备也有相异的构造和型态。
整套系统可分为:1.自动控制部分自动控制部分为系统的核心组成.可控制参加反应原物料浓度、压力、及气流大小;同时,控制材料生长的速率及模式等。
气体反应物可用高压气体钢瓶经MFC精密控制流量,而固态或液态原料则需使用蒸发器使进料蒸发或升华,再以H2、N2气体作为carrier而将原反应物带入反应室中。
外延片介绍
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LED外延片生长技术介绍外延片技术与设备是外延片制造技术的关键所在,金属有机物化学气相淀积(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition,简称MOCVD)技术生长III-V族,II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。
下面是关于LED外延片技术的一些资料。
1.改进两步法生长工艺目前商业化生产采用的是两步生长工艺,但一次可装入衬底数有限,6片机比较成熟,20片左右的机台还在成熟中,片数较多后导致外延片均匀性不够。
发展趋势是两个方向:一是开发可一次在反应室中装入更多个衬底外延片生长,更加适合于规模化生产的技术,以降低成本;另外一个方向是高度自动化的可重复性的单片设备。
2.氢化物汽相外延片(HVPE)技术采用这种技术可以快速生长出低位元错密度的厚膜,可以用做采用其他方法进行同质外延片生长的衬底。
并且和衬底分离的GaN薄膜有可能成为体单晶GaN芯片的替代品。
HVPE的缺点是很难精确控制膜厚,反应气体对设备具有腐蚀性,影响GaN材料纯度的进一步提高。
3.选择性外延片生长或侧向外延片生长技术采用这种技术可以进一步减少位元错密度,改善GaN外延片层的晶体品质。
首先在合适的衬底上(蓝宝石或碳化硅)沉积一层GaN,再在其上沉积一层多晶态的SiO掩膜层,然后利用光刻和刻蚀技术,形成GaN视窗和掩膜层条。
在随后的生长过程中,外延片GaN首先在GaN视窗上生长,然后再横向生长于SiO条上。
4.悬空外延片技术(Pendeo-epitaxy)采用这种方法可以大大减少由于衬底和外延片层之间晶格失配和热失配引发的外延片层中大量的晶格缺陷,从而进一步提高GaN外延片层的晶体品质。
首先在合适的衬底上(6H-SiC或Si)采用两步工艺生长GaN外延片层。
然后对外延片膜进行选区刻蚀,一直深入到衬底。
这样就形成了GaN/缓冲层/衬底的柱状结构和沟槽交替的形状。
然后再进行GaN外延片层的生长,此时生长的GaN外延片层悬空于沟槽上方,是在原GaN外延片层侧壁的横向外延片生长。
氮化镓注镁_Mg_GaN_的光致发光
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氮化镓注镁(Mg:GaN)的光致发光*摘要:利用低压MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长了GaN,用离子注入法掺入Mg杂质,退火后,进行光致发光测量,观察到显著的蓝光发射和黄带发射.光谱分析给出了与注入Mg离子相关的GaN禁带中能级的精细结构,其中:间位Mg(Mgi)能级(导带下170meV)到替位Mg(MgGa)受主能级(价带上250meV)的跃迁产生了415nm发光峰;该能级到价带上390meV能级的跃迁,以及带有紧邻N空位的替位Mg(MgGaVN)能级(导带下310meV)到MgGa受主能级的跃迁,均产生了438nm发光峰.另外,退火使GaN晶格结构部分恢复,再现了黄带发射.关键词:氮化镓;掺杂;离子注入;光致发光;高斯拟合1引言近年来,宽带隙半导体材料GaN在光电器件研究方面倍受重视.它是一种直接带隙的半导体材料,室温下禁带宽度为3.4eV,由载流子的带间跃迁产生的辐射波长很短,在近紫外波段.对其掺杂后可得到位于禁带中的发光中心,使发光波长移至可见区域.尤其是在蓝光材料方面,GaN及其相关材料具有得天独厚的优势,这也是目前GaN及其相关材料应用最广泛的领域.由于多种原因,p型GaN掺杂水平一直不高,严重阻碍了GaN基器件的发展[1].Be、Mg、Zn、C等多种p型化杂质都曾被研究过[2],而目前以Mg使用最广泛,它不仅用作p型GaN掺杂,还可以作为辐射复合中心,产生蓝光发射.MOCVD和MBE是当前国际上生长掺MgGaN的两种重要方法.但是,在MOCVD生长中,由于H对Mg的钝化,直接生长的掺MgGaN往往都是高阻的[3],即使掺入Mg的浓度高达1019~1020cm-3,电阻率仍然高达108䬸・cm,而且光致发光性质也不好,必须经过再处理才能将Mg激活.在氮气气氛中快速热退火是近年来广泛采用的激活方法[4,5].掺MgGaN的光致发光性质与其晶体质量、掺Mg浓度、生长和退火条件等多种因素有关.一般,当掺Mg浓度较低时,PL谱峰多位于390nm附近且伴有声子伴线的出现[6];而掺Mg浓度较高时,PL谱峰多位于440nm附近,峰形较宽[6~9].随着激发光源强度的改变,这两个峰的位置也发生偏移.重掺杂时,PL谱峰位随Mg浓度增加明显红移,甚至可达绿光区,峰形也变得更宽.此外,Mg掺杂还可以引入某些缺陷能级[10],对PL谱产生重要影响.我们利用MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长了GaN,离子注入掺Mg后,再高温退火,进行光致发光研究.通过对光谱做高斯拟合,我们发现样品的光致发光谱可以分解成415、438、550和561nm峰的叠加.2实验GaN生长采用低压MOCVD,三甲基镓(TMG)作为镓源,高纯氨气作为氮源,氢气经纯化后作为载气,生长室压力保持在104Pa[11].生长前,蓝宝石衬底先后在丙酮和酒精中超声清洗,用去离子水冲洗后,放到浓硫酸和浓磷酸的混合液中(H2SO4∶H3PO4=3∶1),在160℃下煮10min,最后用去离子水冲洗干净,装入反应室.生长时,首先通氢气在高温下预处理,除去衬底表面的吸附物;然后,在250℃和550℃下分别生长低温缓冲层和高温缓冲层,厚度大约为25nm;最后升温到1000℃,生长GaN外延层,外延层厚度约1 m,样品表面光亮,无色透明.生长结束后,对样品进行离子注入掺Mg,24Mg+离子束的剂量和能量分别为5×1014cm-2和360keV.然后,将该注MgGaN样品置于氮气气氛中,在700℃下退火20min.用EG&GFluoroMax-2光谱仪测量样品的室温光致发光谱(PL谱),光源为氙灯,选定330nm线作为激发源.3结果与讨论图1是注MgGaN样品退火前后的室温PL谱.由图可见,退火前谱线平坦,基本没有光致发光信号.退火后,样品蓝光发射很明显,同时,在黄光区域出现一个很宽的包络和一个中心位于563nm附近的陡峭的峰.图1注MgGaN样品退火前后的PL谱Fig.1PLspectraofas-implantedandan-nealedMg-implantedGaN图2是退火后样品室温PL谱的高斯拟合.其中,粗实线是实际测量的光致发光谱,点线是高斯拟合的结果,细实线是高斯拟合的四个峰,中心分别位于415、438、550和563nm.图3是415、438和563nm峰的PLE谱.如图中箭头所示,415nm峰的激发谱中,存在一个以图2注MgGaN样品退火后的PL谱及高斯拟合Fig.2PLspectraandGaussianfitofannealedMg-implantedGaN384nm为中心的下降沿,相应光子的能量为3.22eV,而室温下GaN禁带宽度为3.39eV,所以415nm峰可能对应于位于导带下170meV的能级(以下简称为能级1)到禁带中某个能级的跃迁.计算表明,该禁带中的能级位于价带上约240meV处,这与目前报道的位于价带上250meV的Mg受主能级(以下简称为能级4)非常接近,能级图如图4所示.有研究表明能级1可能来源于间位Mg (Mgi)[12].图3注MgGaN样品退火后的PLE谱Fig.3PLEspectraofannealedMg-im-plantedGaN在438nm峰的激发谱中,也存在一个下降沿.但是,与415nm峰不同的是,在392nm附近,438nm峰的激发谱存在一个明显的折线,这表明该发光峰图4与注Mg相关的能级的精细结构图Fig.4Structureofdoping-relatedenergylevels不是来源于单一的跃迁机制.在该折线左右两侧,有两个分别以384和402nm为中心的下降沿,相应光子的能量分别为3.22和3.08eV.对于前者,导致438nm发光峰的是能级1到价带上390meV能级(以下简称为能级3)的跃迁;而对于后者,导致438nm发光峰的是导带下310meV能级(以下简称为能级2)到能级4的跃迁.有研究结果表明:能级2可能来源于带有紧邻氮空位的替位式Mg(MgGa-VN),相应的受主是空间上与其分离的孤立的MgGa[13].Go¨tz等人[14]曾经利用DLTS在n+-p结器件中也发现了能级3,但该能级起因目前尚未见报道.此外,在563nm峰的激发谱中,也明显存在一个以365nm为中心的下降沿,这恰好也是GaN带边发射的波长,这表明相应于563nm峰的是导带底到禁带中某个深能级的跃迁.这个尖锐的563nm峰叠加在宽阔的550nm包络上,形成了在未故意掺杂GaN中常见的黄带发射.Chi等人曾研究过扩散掺MgGaN的光致发光性质,也发现了中心位于550nm、半高宽约100nm的黄带发射,与未故意掺杂GaN的黄带发射非常相似.注意到扩散法掺杂和离子注入法掺杂是很不一样的:扩散法不会破坏晶格,只是在晶格间隙中引入了许多间位杂质离子;而离子注入则会导致原来完整的晶格遭到破坏,丧失与晶格周期性有关的性质,如图1所示,注MgGaN样品在退火前几乎没有任何发光信号,就是一个很好的证明.退火使GaN晶格结构部分恢复[15,16],因此再现了黄带发射.4结论退火后,注MgGaN样品产生了显著的蓝光发射和黄带发射.光谱分析给出了与注入Mg离子相关的GaN禁带中的能级的精细结构.其中,间位Mg杂质(Mgi)能级(导带下170meV)到替位Mg (MgGa)受主能级(价带上250meV)的跃迁产生了415nm发光峰;该能级到价带上390meV能级的跃迁,以及带有紧邻N空位的替位Mg(MgGaVN)能级(导带下310meV)到MgGa受主能级的跃迁,均产生了438nm发光峰.另外,退火使GaN晶格结构部分恢复,因此再现了黄带发射.致谢本实验的光致发光谱测量得到了南京大学物理系陈晖同志的热情帮助,在此谨表谢意.参考文献[1]XieShiyong,ZhengYoudou,ChenPeng,etal.p-typedopingofGaN.Research&ProgressofSSE,2001,21(2):204(inChi-nese)[谢世勇,郑有火斗,陈鹏,等.GaN材料p型掺杂.固体电子学研究与进展,2001,21(2):204][2]PankoveJI,HutchbyJA.JApplPhys,1976,47(12):5387[3]PeartonSJ,LeeJW,YuanC.ApplPhysLett,1996,68(19):2690[4]NakamuraS,MukaiT,SenohM,etal.JpnJApplPhys,1992,31(2B):L139[5]LiuXianglin,WangChengxin,HanPeide,etal.GrowthofP-typeGaNandAlGaNepitaxialfilms.HighTechnologyLet-ters,2000,8:26(inChinese)[刘祥林,王成新,韩培德,等.P型GaN和AlGaN外延材料的制备.高技术通讯,2000,8:26] [6]LiShuti,WangLi,PengXuexin,etal.DopingMgdoseinMOCVDgrowthofP-GaNfilms.ChineseJournalofSemi-conductors,2000,21:365(inChinese)[李述体,王立,彭学新,等.MOCVD生长P型GaN的掺杂Mg量的研究.半导体学报,2000,21:365][7]MaoXiangjun,YangZhijian,JingSixuan,etal.PLcharacter-isticsofrapidlyannealedMg:GaN.ChineseJournalofSemi-conductors,1999,20:857(inChinese)[毛祥军,杨志坚,金泗轩,等.快速退火Mg:GaN的光致发光研究.半导体学报,1999,20:857][8]EckeyL,VonGfugU,HolstJ,etal.JCrystGrowth,1998,189/190:523[9]OhE,ParkM,KangS,etal.JCrystGrowth,1998,189/190:537[10]HackeP,NakayamaH,etal.ApplPhysLett,1996,68:1362[11]ZhouYugang,ShenBo,ChenZhizhong,etal.GrowthofGaNfilmsusinglightradiationheatingmetalchemicalvapordepo-sition.ChineseJournalofSemiconductors,1999,20(2):147(inChinese)[周玉刚,沈波,陈志忠,等.光加热金属有机物化学气相淀积生长氮化镓.半导体学报,1999,20(2):147] [12]SmithM,ChenGD,LinJY,etal.ApplPhysLett,1996,68:1883[13]KaufmannU,KunzerM,MaierM,etal.ApplPhysLett,1998,72:1326[14]Go¨tzW,JohnsonNM,BourDP.ApplPhysLett,1996,68(24):3470[15]PongBJ,PanCJ,TengYC,etal.JApplPhys,1998,83(11):5992[16]YaoDongmin,XinDong,WangLi,etal.Rutherfordbackscatteringandchanneling,doublecrystalX-raydiffrac-tionandphotoluminescenceofGaN.ChineseJournalofSemi-conductors,2000,21:437(inChinese)[姚冬敏,辛东,王立,。
MOCVD生长GaN基蓝光LED外延片的研究
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LED外延片及知名生产企业介绍外延生长的大体原理是,在一块加热至适当温度的衬底基片(要紧有蓝宝石(Al2O3)和SiC,Si)上,气态物质In,Ga,Al,P有操纵的输送到衬底表面,生长出特定单晶薄膜。
目前生长技术要紧采纳有机金属化学气相沉积方式。
大体原理Ⅲ-V族氮化合物InN、GaN、AIN及其合金材料,其带隙宽度从至,覆盖了可见光及紫外光光谱的范围。
GaN材料系列是一种理想的短波长发材料,对GaN材料的研究与应用是现今全世界研究的前沿和热点,市场上的及紫光LED都是采纳GaN基材料生产出来的。
GaN是极稳固的化合物和坚硬的高熔点材料,也是直接跃迁的宽带隙半导体料,不仅具有良好的物理和化学性质,而且具有电子饱和速度高、热导率好、禁带宽度大和介电常数小等特点和强的抗辐照能力,可用来制备稳固性能好、寿命长、耐侵蚀和耐高温的大器件,目前普遍应用于子、蓝光LED、紫光探测器、高温大功率器件和高频微波器件等光电器件。
制备高质量的GaN基材料和薄膜材料,是研制和开发发光外延材料及器件性能的前提条件。
目前市场上尚未哪家公司能生产两寸的高质量的GaN单晶衬底,即便有GaN单晶衬底,价钱也相当的昂贵。
此刻大多数公司利用的衬底材料都是兰宝石(Al2O3),尽管它与GaN失配达%,在兰宝石衬底上生长的GaN 薄膜材料会有超级高的位错密度,但本钱低、价钱低廉,工艺也比较成熟,在高温下有良好的稳固性。
工艺金属有机物化学气相淀积(Metal-OrganicChcalVaporDeposition,简称 MOCVD), 1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物单品薄膜的新技术。
该设备集周密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、、化学、多学科为一体,是一种程度高、价钱昂贵、技术集成度高的尖端子专用设备,要紧用于GaN(氮化镓)系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造,也是光电子行业最有进展前途的专用设备之一。
mocvd生长gan原理
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MOCVD生长GaN原理引言氮化镓(GaN)是一种重要的半导体材料,具有广泛的应用前景,例如高亮度发光二极管(LED)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等。
其中,MOCVD(金属有机化学气相沉积)是一种常用的GaN生长技术。
本文将详细解释MOCVD生长GaN的基本原理,包括反应机理、生长过程和影响因素等内容。
1. 反应机理MOCVD生长GaN的基本反应机理可以分为两个步骤:金属有机前体分解和氮化反应。
1.1 金属有机前体分解MOCVD使用金属有机前体作为源材料,常用的有三甲基镓(TMGa)和氨(NH3)。
在高温下(通常为700-1100°C)和低压(几百帕)的条件下,TMGa分解为镓原子和甲烷(CH4),反应如下:TMGa + CH4 -> Ga + 3CH3这个反应是一个热解反应,通过热能将TMGa分解为金属镓和甲烷。
金属镓可以在衬底表面扩散并形成薄膜。
1.2 氮化反应在金属镓薄膜形成后,需要进行氮化反应将其转化为GaN。
这一步骤通常在高温下进行,使用氨作为氮源。
氨分解为氮原子和氢气,然后与金属镓反应生成GaN,反应如下:GaN + NH3 -> GaN + 3/2H2这个反应是一个气相反应,通过金属镓和氮原子的反应生成GaN。
氮源的供应量和反应温度会影响GaN的生长速率和质量。
2. 生长过程MOCVD生长GaN的过程可以分为几个关键步骤:表面吸附、扩散、反应和脱附。
2.1 表面吸附金属有机前体和氮源在气相中输送到衬底表面后,会先发生吸附。
金属有机前体通过表面吸附在衬底上,形成一个镓原子层。
氮源中的氮原子也会吸附在衬底表面。
2.2 扩散金属有机前体和氮源吸附在衬底表面后,会向表面下方扩散。
金属有机前体中的金属镓原子会在表面扩散并形成一个薄膜。
氮原子也会在表面扩散并与金属镓反应形成GaN晶体。
2.3 反应金属镓和氮原子在表面扩散后会发生反应,生成GaN晶体。
反应速率和质量受到金属有机前体和氮源的供应量、反应温度和压力等因素的影响。
MOCVD介绍
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MOCVD介绍MOCVD,全称金属有机化学气相沉积法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition),是一种用于制备薄膜材料的表面处理技术。
该技术广泛应用于半导体行业,并在光电子器件、太阳能电池、半导体激光、高频电子器件等领域中发挥重要作用。
MOCVD利用金属有机化合物在物质表面进行热分解的过程,通过气相沉积在基底上形成薄膜。
其基本原理是将金属有机化合物和稀释的气体反应,生成所需的金属元素,并将其输送到基底表面,随后发生表面反应形成薄膜。
MOCVD通常需要在高真空或低压环境下进行,以确保反应物质能在表面上均匀分布,并保证薄膜的致密性和均一性。
MOCVD的工艺流程包括预处理、沉积和后处理三个阶段。
首先,在预处理阶段,需要对基底进行清洗和表面修饰,以提高沉积薄膜的质量和附着力。
接下来,在沉积阶段,将基底放置在反应室中,通过管道输入所需的金属有机化合物和稀释气体,经过反应生成所需的金属元素,形成薄膜。
最后,在后处理阶段,通过加热、冷却和其他表面处理方法,对薄膜进行增韧、改性和提高质量。
MOCVD的优点之一是可以在比较低的温度下实现高质量的沉积,从而在不破坏基底的情况下制备薄膜。
此外,制备的薄膜具有良好的致密性、均匀性和较少的杂质,能够满足高性能微电子器件的要求。
同时,MOCVD还具有较高的沉积速率和较低的成本,适用于大面积和大规模的生产。
然而,MOCVD也存在一些挑战和限制。
首先,需要选择合适的金属有机化合物和稀释气体,以控制反应过程和薄膜的成分。
其次,控制沉积过程的条件和参数,如温度、压力和反应时间,对于薄膜质量和性能的影响非常重要,需要经过大量的实验和优化。
此外,大部分金属有机化合物具有毒性和易燃性,操作过程中需要严格控制安全风险。
近年来,随着半导体和光电子技术的发展,MOCVD在新兴领域的应用也在不断扩展。
例如,MOCVD被用于制备高效的光伏电池薄膜,以提高太阳能转换效率。
LED芯片MOCVD外延生长
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LED芯片具有高效、节能、环保 、寿命长等优点,广泛应用于照 明、显示、背光等领域。
MOCVD外延生长在LED芯片制造中的重要性
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实现高效发光
通过MOCVD外延生长技 术,可以在合适的衬底上 生长出高质量的发光层, 实现高效发光。
提高芯片性能
MOCVD外延生长技术可 以精确控制材料组分和厚 度,从而优化LED芯片的 性能。
MOCVD技术具有较低的成本和较高的经济 效益,使得LED芯片更具市场竞争力。
缺点
设备成本高
MOCVD设备成本较高,增加 了LED芯片的生产成本。
外延层质量不稳定
由于各种因素的影响,外延层 的质量有时会出现不稳定的情 况,影响LED芯片的性能和可靠 性。
操作难度大
MOCVD技术的操作难度较大 ,需要专业技术人员进行操作 和维护。
LED芯片MOCVD外延生 长
• MOCVD外延生长技术简介 • LED芯片与MOCVD外延生长的关系 • LED芯片MOCVD外延生长的过程 • LED芯片MOCVD外延生长的优缺点 • LED芯片MOCVD外延生长的未来发展
01
MOCVD外延生长技术简介
MOCVD技术的定义
MOCVD(Metallorganic Chemical Vapor Deposition)即金属有机化合物化学 气相沉积技术,是一种在半导体材料表面上进行外延生长的技术。
MOCVD技术可用于制备高效太阳能电池,如异质结太阳能电池、多结太阳能电池等,提 高光电转换效率。
光电子器件
MOCVD技术还可用于制备光电子器件,如激光器、探测器等,广泛应用于光通信、光传 感等领域。
02
LED芯片与MOCVD外延生长的关系
mocvd外延生产工艺
![mocvd外延生产工艺](https://img.taocdn.com/s3/m/6180ebdb50e79b89680203d8ce2f0066f4336469.png)
mocvd外延生产工艺MOCVD(金属有机化学气相沉积)是一种常用的外延生产工艺,广泛应用于半导体产业。
MOCVD工艺通过将金属有机化合物和气态前体物质在高温条件下反应沉积到衬底上,形成所需的薄膜。
MOCVD工艺的基本步骤包括:衬底准备、加热和反应、释放和冷却。
首先,衬底准备可包括清洗、附加活性物种和表面修饰等步骤。
清洗可以去除污染物和氧化物,附加活性物种可以增强表面反应活性,而表面修饰可以优化外延生长过程中的界面性能。
接下来,衬底进入反应室进行加热和反应。
在反应室中,衬底被加热到高温,通常在750°C至1100°C之间,以提供反应所需的能量。
同时,在反应室中导入金属有机化合物和气态前体物质,使其在高温下分解反应生成所需的金属元素和气体。
这些金属元素和气体通过气相传输、扩散和对流等机制被输送到衬底表面。
在衬底表面,金属元素和气体会发生反应并沉积形成薄膜。
反应过程中,金属有机化合物提供金属元素,而气态前体物质提供所需的化学物质。
通过控制反应条件(如温度、压力、流量等),可以控制沉积速率、沉积均匀性和晶格匹配等薄膜性质。
最后,释放和冷却是MOCVD工艺的最后步骤。
在反应完成后,释放表明衬底和生长薄膜已经完成。
然后,冷却过程开始,将衬底和薄膜从高温冷却到室温。
冷却速率和方式的选择可以影响薄膜的结晶质量和残余应力。
MOCVD工艺在半导体产业中有广泛的应用。
例如,用于制备GaN(氮化镓)材料,其具有优异的半导体性能,可用于制造高亮度LED(发光二极管)和激光二极管等器件。
此外,MOCVD工艺还可用于制备其他化合物半导体材料,如InP (磷化铟)、SiC(碳化硅)和GaAs(砷化镓)等。
总之,MOCVD是一种有效的外延生产工艺,通过控制反应条件和优化衬底及薄膜特性,可实现高质量的薄膜生长。
随着半导体产业的发展和需求的增加,MOCVD工艺将继续发挥重要作用,并不断推动半导体器件的创新与进步。
mocvd工艺技术
![mocvd工艺技术](https://img.taocdn.com/s3/m/5fd3c3810d22590102020740be1e650e53eacf47.png)
mocvd工艺技术MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)是一种化学气相沉积(CVD)技术,用于制备薄膜材料,尤其是半导体材料。
它被广泛应用于制备光电子器件、纳米材料和微电子器件等领域中。
MOCVD工艺技术的过程主要分为三个步骤:预处理、生长和后处理。
在预处理阶段,首先要将基底进行表面清洗,以去除杂质和氧化物层。
然后,将基底放入洁净室中进行表面处理。
这一步骤非常关键,因为基底的表面质量直接影响着最后生长的薄膜的质量。
在这个阶段,还需要将基底进行加热,以提高生长时的表面反应速率和光滑度。
生长阶段是整个MOCVD工艺的核心步骤。
在这个阶段,需要将金属有机分子和气态衬底分子输送到反应室中。
金属有机分子通常是金属有机化合物,如金属甲基、金属酮和金属羧酸等。
而气态衬底分子则是供应反应中所需元素的气体,如三甲基镓和三甲基胂等。
这些分子在反应室中发生热解反应,生成金属和或者金属化合物,最后沉积在基底上形成薄膜。
在生长过程中,控制温度和压力是非常重要的。
温度会影响到反应的速率和选择性,而压力则会影响到反应的平衡和扩散过程。
通过调节这些参数,可以控制薄膜的成分和结构,以满足特定应用的需求。
在后处理阶段,需要对生长的薄膜进行一系列的处理,以进一步提高质量和性能。
例如,通过热处理、离子注入和退火等方法,可以增强薄膜的结晶度和光学性能。
还可以对薄膜进行刻蚀、脱模和电镀等工艺步骤,以制备出特定形状和结构的器件。
总的来说,MOCVD工艺技术是一种重要的制备薄膜材料的方法,具有高效、可控和可重复性等特点。
它在半导体、光电子器件和微电子领域中具有广泛的应用前景。
然而,随着技术的不断发展,新的工艺和方法不断涌现,对MOCVD工艺进行改进和优化,以满足更高性能和更复杂应用的需求。
MOCVD外延工艺技术
![MOCVD外延工艺技术](https://img.taocdn.com/s3/m/77859700326c1eb91a37f111f18583d048640f69.png)
MOCVD外延工艺技术MOCVD外延工艺技术是一种用于制备高质量半导体薄膜的工艺技术。
MOCVD是金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)的缩写,它是利用金属有机化合物和气相的反应来在衬底上沉积半导体材料。
MOCVD外延工艺技术具有许多优越性能,如高晶格匹配性、低线宽、低空间极化效应等,因此在半导体器件制造领域得到广泛应用。
MOCVD外延工艺技术的制备过程包括材料蒸发、加热、反应和冷却等阶段。
首先,金属有机前体物质通过加热蒸发器进行蒸发,然后进入反应室。
在反应室内,金属有机物与载气(通常为氮气)发生化学反应,产生金属有机气体和热量。
然后,金属有机气体在衬底表面发生热分解反应,生成固态半导体材料,并沉积在衬底上。
最后,冷却系统将衬底冷却至室温,完成整个外延工艺过程。
MOCVD外延工艺技术的关键是合适的金属有机前体选择和适当的工艺参数控制。
金属有机前体是外延材料的主要来源,不同金属有机前体具有不同的热解温度和反应速率,因此选择合适的金属有机前体对外延材料的质量至关重要。
同时,工艺参数的控制也非常重要,如反应温度、气体流量、反应时间等都会影响外延材料的物理和电学性质。
因此,通过合理调整这些参数,可以优化薄膜的晶体结构和材料性能。
MOCVD外延工艺技术具有许多优势,使其成为制备高质量半导体材料的首选工艺。
首先,MOCVD外延工艺可以在较低的工作温度下进行,这有助于减少杂质的掺入和晶格畸变,从而提高外延材料的质量。
其次,MOCVD外延工艺可以实现多层外延材料的沉积,使得制备复杂结构的半导体器件成为可能。
此外,MOCVD外延工艺技术还可以实现大规模生产,提高半导体器件的制造效率。
然而,MOCVD外延工艺技术也存在一些挑战和问题。
首先,金属有机前体物质的选择和净化是一个复杂的过程,需要耗费大量的时间和资源。
其次,工艺参数的调控比较复杂,对工艺技术人员的要求较高。
mocvd工作原理
![mocvd工作原理](https://img.taocdn.com/s3/m/908572c970fe910ef12d2af90242a8956aecaa68.png)
mocvd工作原理MOCVD工艺是金属有机物化学气相沉积的英文缩写,指的是利用金属有机物前驱体在高温下进行化学反应,在基片表面生长所需要的薄膜材料。
这种沉积方式具有优良的步覆盖性、可控性和均匀性,已广泛应用于外延生长半导体器件的关键材料制备。
金属有机物前驱体是指含有金属元素和有机基团的化合物,通常呈气态或可挥发。
常用的金属有机物前驱体包括三甲基镓、三甲基铝、三乙基铟等。
它们能够在较低温度下就具有足够的蒸气压,易于输送进入反应室。
同时,有机基团的存在降低了分子的离解能,使得前驱体在较低温度下就能发生分解反应。
MOCVD设备主要由气源系统、反应室、排气系统和controler 等部分组成。
气源系统负责存储和供给各种反应所需的气体源,包括金属有机物前驱体、载气以及其他掺杂源气体。
反应室内有加热到一定温度的衬底,前驱体气体在其表面发生化学反应而生长出所需的薄膜材料。
排气系统将反应尾气抽出,避免对生长造成污染。
Controler主要负责系统的运行控制和工艺参数的精确调节。
生长过程中,金属有机物前驱体和其他反应气体被载气如氢气携带,通过紧密设计的管路和流场进入预热到一定温度的反应室。
在衬底加热到的合适温度下,前驱体分子发生热解离、吸附、扩散等过程,金属元素与其他反应物发生化学反应,最终在衬底表面形成期望的材料。
调节温度、气体组成和流量比例等参数,可以有效控制薄膜的生长速率、组分、晶体取向和缺陷浓度等,从而获得所需的材料性能。
合理的温场设计和流场优化有助于提升生长均匀性,极大地提高芯片批量制造产能。
MOCVD技术的发展应用离不开对反应动力学和输运机制的深入理解。
人们对反应路径、速率决定步骤、中间产物、吸附行为等做了大量研究,并建立了相应模型,指导了MOCVD系统改良和工艺开发。
该工艺的主要优点是生长温度相对低、均匀性好、可实现精确掺杂、可大面积外延等。
但局限性也存在,如部分金属有机物稳定性差、产物对环境有害、前驱体使用量大等。
MOCVD介绍范文
![MOCVD介绍范文](https://img.taocdn.com/s3/m/e613815fa200a6c30c22590102020740be1ecdee.png)
MOCVD介绍范文MOCVD即金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition),是一种常用的薄膜制备技术。
在MOCVD过程中,使用金属有机化合物和惰性气体作为前驱体,在高温条件下使之分解,生成金属原子或化合物,然后将其传输到衬底表面进行沉积,形成薄膜。
1.高质量薄膜:MOCVD技术能够以单层的形式控制原子堆积序列,使得沉积的薄膜具有优良的结晶质量和光学性能。
此外,通过调节前驱体的浓度和反应条件,可以实现杂质控制和缺陷控制,提高薄膜的质量和纯度。
2.复杂结构控制:MOCVD技术可制备各种复杂薄膜结构,包括多层膜、量子阱和异质结构等。
这些结构对于器件性能的优化至关重要。
通过调节前驱体的流量和沉积参数,可以实现不同材料的交错堆积和界面控制。
3.宽范围成长:MOCVD技术适用于多种衬底类型,包括硅、石英、蓝宝石和氮化硅等。
此外,MOCVD技术可在高温度下进行沉积,从而适用于高熔点材料的制备。
4.连续大面积生长:MOCVD技术具有高生长速率,可实现大面积均一覆盖。
这使得MOCVD广泛应用于LED、半导体激光器和太阳能电池等大面积薄膜器件的制备。
1.前驱体供给:有机金属化合物和惰性气体通过气体输送系统输送到反应室中。
有机金属化合物可为金属的有机配合物,例如金属有机酮盐、金属有机胺盐和金属有机乙酮盐等。
3.输运:通过气流将分解后的金属原子和有机气体输送到衬底表面。
在输运过程中,要保持液滴和固体颗粒的均匀分布,以避免非均匀沉积和成键问题。
4.沉积:金属原子在衬底上进行重组和扩散,形成薄膜结构。
沉积过程中,需要控制沉积速率、温度和气氛的反应性,以实现所需的薄膜特性。
MOCVD技术在许多领域有着广泛的应用。
LED是其中最重要的应用之一、通过MOCVD制备的薄膜能实现纯度较高的发光材料和高质量的晶体结构,提高LED的性能和效率。
此外,MOCVD还广泛用于半导体激光器、太阳能电池、显示器和光电子器件等领域。
MOCVD外延生长InN薄膜及其光学性质研究
![MOCVD外延生长InN薄膜及其光学性质研究](https://img.taocdn.com/s3/m/e4643e7f590216fc700abb68a98271fe900eaf7a.png)
2. 0 eV附近的能隙相关的发光结果。 之后该带隙值长期被广泛接受,并经常用作 InGaN 合金中带隙外推的
终点值 [10] 。 2001 年,Yodo 等
[11]
通过电子回旋共振辅助分子束外延( molecular beam epitaxy, MBE) ,首次观
电子累积层的超高密度。 实际上大多数 InN 样品都是电子浓度约为 1 × 10 18 cm - 3 甚至更高的简并 n 型材
料,所以结合 InN 外延层中和表面的各种缺陷结构形成的多种表面,导致实际 InN 的发光特性不能遵从经典
的半导体辐射复合规律。
本文使用 MOCVD 方法,通过在 GaN 与 InN 的外延结构中加入一层 InGaN 垫层以降低 GaN 与 InN 的晶
应变的。 室温下 InN 薄膜的光吸收和强光致发光结果表明,所制备的 InN 薄膜能带隙约为 0. 74 eV。 本文还初步研究
了 InN 的异常激发依赖性的光致发光行为,证明了 InN 材料的表面效应对辐射复合的强烈作用。
关键词:InN;MOCVD;外延生长;应变;表面缺陷;光学性质;光致发光
中图分类号:O782;TN304;O484. 1
的 InN 表面形貌连续平整。 采用光学显微镜、高分辨率 X 射线衍射( HR-XRD) 、透射电子显微镜( TEM) 、光吸收和室
温光致发光等方法研究了 InN 的晶体结构和光学性质。 HR-XRD 的 ω 和 ω-2θ 扫描显示,InGaN 垫层消除了 In 滴的衍
射信号,并且 ω 扫描给出了 150 nm 的 InN 薄膜的(0002) 半峰全宽为 0. 23°。 TEM 选区电子衍射发现,InN 几乎是无
外延MOCVD基本原理及LED各层结构
![外延MOCVD基本原理及LED各层结构](https://img.taocdn.com/s3/m/0397583ea32d7375a41780ba.png)
5.量测系统
RealTemp200
测温系统 Tw:芯片表面温度 Tc : Carrier温度 Rw:芯片表面反射率
EpiViser200
温度监控与反射率(成长曲线) 监测系统。
1.公司简介
Aixtron的Reactor Design有两项 主要技术 1.Planetary (Aixtron自行开发的水平气流+行 星转盘) 2. Shower Head (并购Thomas Swan后取得的均匀 气流技术)
Gas Cabinet
Reactor Cabinet
Robot Cabinet
2.反应炉原理
Turbo Disk技术,主要是利用高速选转(800~2000rpm)来制造出线性层流,达到外延成 ughput高,很适合公司大规模生产。 缺点是制程条件依赖人员经验判断、源耗大、耗材较多,均匀性较差。 适合波长容忍度较大的产品。
TMGa TEGa TMIn
有机金属源
英文全名
Trimethylgallium Triethyl Gallium Trimethyl Indium Trinethyl Aluminium Di (cyclopentadienyl) magnesium
化学式
(CH3)3Ga (C2H5)3Ga (CH3)3In (CH3)3Al (C5H5)2Mg
Loa d Loc k
目前设备主要以G5 (Planetary)和 CriusII(Shower Head),每炉次产 能分别为42 pcs与31(or 37)pcs。
Gas Cabinet
Gas Mixing Cabinet
Reactor In GroveBox
LED各层结构
I I.1 I.2 LED标准结构概述
(MOCVD)分子束磊晶(MBE)
![(MOCVD)分子束磊晶(MBE)](https://img.taocdn.com/s3/m/cd47751d10661ed9ad51f390.png)
3 2 1 0
SiC
ZnO
AlP ZnSe ZnTe GaP AlSb CdTe AlAs GaAs Si InP GaSb InAs InSb
InN
Al2O3 (Sapphire)
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
9
基本磊晶技術與產品應用
Lattice Constant ( Å )
InGaN material
基本磊晶技術與產品應用
19
電子顯微鏡磊晶層剖面圖
4吋GaAs基板
基本磊晶技術與產品應用
20
砷化鎵磊晶技術
金屬有機化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor
Deposition, MOCVD):將高純度的化學氣體導入成長腔內, 在加熱的基板上解離並化合反應形成高品質單晶材料層。 分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE):在超高真空
Tri Methyl Gallium Tri Methyl Aluminum Tri Methyl Indium Tri Ethyl Gallium Tri Methyl Arsenic Tetra Bromine Carbon
Methyl:甲基, (CH3)Ethyl:乙基, (C2H5)33
三甲基鎵 三甲基鋁 三甲基銦 三乙基鎵 三甲基砷 四溴化碳
AsH3 H2 TMGa
(MOCVD法)
MOCVD: Metalorganic Chemical Vapor Deposition MBE: Molecular Beam Epitaxy
基本磊晶技術與產品應用 32
Metal Organic Source
mocvd外延生长步骤
![mocvd外延生长步骤](https://img.taocdn.com/s3/m/a79c96f8fc0a79563c1ec5da50e2524de518d0f3.png)
mocvd外延生长步骤
金属有机化学气相沉积(MOCVD)是一种常用于外延生长半导体材料的方法,特别是在制备光电子器件和集成电路中。
以下是MOCVD外延生长的一般步骤:
1.底片准备:
在开始MOCVD外延生长之前,需要准备一个基础底片,通常是单晶衬底,以提供一个有序的晶格结构。
2.清洗底片:
底片表面需要彻底清洗,以去除任何可能影响外延生长的杂质或表面污染物。
3.底片预处理:
可能需要进行一些预处理步骤,例如氧化、脱氢或其他表面处理,以提高外延层的质量和附着性。
4.装载底片:
将经过处理的底片放置在MOCVD反应室中,并确保它们被安置在适当的位置以进行生长。
5.反应室抽真空:
在进行外延生长之前,通常需要将反应室抽真空,以减少气体中的杂质,确保生长环境的洁净度。
6.气体进入和预热:
引入金属有机化学气体前体(例如金属有机化合物)和载气气体,然后对系统进行预热,以确保气体混合物的稳定性。
7.外延层生长:
在预定的温度和气体流量条件下,通过化学反应在底片表面逐层生长半导体外延层。
外延层的材料和性质取决于所选择的前体。
8.冷却和清理:
生长完成后,底片需要缓慢冷却,以防止材料的非均匀结晶。
此后可能需要进行清理步骤,以去除任何残留的气体或杂质。
9.取出生长样品:
生长完毕后,取出外延生长的样品,准备进行后续的制备工作,如器件加工或表征分析。
请注意,这只是一般性的MOCVD外延生长步骤,具体的实验条件和步骤可能会因材料系统和实验目的而有所不同。
最新MOCVD和LED基础知识介绍
![最新MOCVD和LED基础知识介绍](https://img.taocdn.com/s3/m/4acf690b102de2bd970588e4.png)
精品资料M O C V D和L E D基础知识介绍........................................MOCVD设备和外延生长2007.01外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在。
气相外延(VPE),液相外延(LPE),分子束外延(MBE)和金属有机化合物气相外延(MOCVD)都是常用的外延技术。
当前,MOCVD工艺已成为制造绝大多数光电子材料的基本技术。
(气相外延-在含有外延生长所需原子的化合物的气相环境中,通过一定方法获取外延生长所需原子,使其按规定要求排列而生成外延层的外延生长过程。
(V apor P hase E pitaxy)液相外延-衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层的外延生长过程。
(L iquid P has e E pitaxy)分子束外延-在高真空中,外延生长所需原子(无中间化学反应过程)由源直接转移到待生长表面上,按规定要求排列生成外延层的外延生长过程。
(M olecular B eam E pitaxy)MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)设备作为化合物半导体材料研究和生产的手段,特别是作为工业化生产的设备,它的高质量、稳定性、重复性及规模化是其它的半导体材料生长设备无法替代的。
它是当今世界上生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段,如激光器、探测器、发光二极管、高效太阳能电池、光电阴极等,是光电子等产业不可缺少的设备。
但我国至今没有生产该设备的专业厂家,各单位都是花费大量外汇从国外购买,使用过程中的维护和零配件的采购都存在很多的不便,且价格昂贵。
全球最大的 MOCVD 设备制造商 AIXTRON, 美国 Veeco 公司.一,MOCVD设备1.发展史:国际上起源于80年代初,我国在80年代中(85年)。
国际上发展特点:专业化分工,我国发展特点:小而全,小作坊式。
技术条件:a.MO源:难合成,操作困难。
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第29卷 第1期2008年1月半 导 体 学 报J OU RNAL OF SEMICONDUCTORSVol.29 No.1J an.,20083Project supported by t he National Natural Science Foundation of China (Nos.60506001,60576003,60476021) Corresponding aut hor.Email :wangll @ Received 31May 2007,revised manuscript received 16August 2007Ζ2008Chinese Institute of ElectronicsOptical and E lectrical Properties of G a N :Mg G row n by MOCV D 3Wang Lili ,Zhang Shuming ,Yang Hui ,and Liang J unwu(I nstit ute of Semiconductors ,Chi nese A cadem y of S ciences ,B ei j ing 100083,China )Abstract :Mg 2doped GaN layers p rep ared by metalorganic che mical vap or dep osition were a nnealed at temp eratures be 2twee n 550and 950℃.Room te mperature (R T )Hall a nd p hot oluminesce nce (PL )spectroscop y measure ments were per 2f or med on t he as 2grow n a nd a nnealed samples.Af ter a nnealing at 850℃,a high hole conce nt ration of 8×1017cm -3a nd a resistivity of 018Ω・cm are obtained.Two domina nt def ect 2related PL emission ba nds in GaN :Mg are investigated ;t he blue ba nd is ce ntered at 218eV (BL )a nd t he ult raviolet e mission ba nd is around 3127eV (U VL ).The relative intensity of BL t o U VL increases af ter a nnealing at 550℃,but decreases w he n t he annealing temp erature is raised f rom 650t o 850℃,a nd finally increases sharply w hen t he a nnealing te mperature is raised t o 950℃.The hole concent ration increases wit h in 2creased Mg doping ,a nd decreases f or higher Mg doping conce nt rations.These results indicate t hat t he difficulties in achie 2ving high hole conce nt ration of 1018cm -3app ear t o be related not only t o hydrogen p assivation ,but also t o self 2comp ensa 2tion.K ey w ords :Hall eff ect ;p hot oluminescence ;p 2GaN PACC :7280;7850G ;7855C LC number :TN 30412+3 Document code :A Article ID :025324177(2008)01200292041 IntroductionWell cont rolled p 2type doping is one of t he fore 2mo st obstacles in t he progress of device develop ment of Ⅲ2nit rides for fabricating visible and ult raviolet light 2emitting devices.Low energy elect ron 2beam irradia 2tion [1]or t hermal annealing in N 2at mosp here [2]is nec 2essary to obtain significant hole concentrations for GaN grown by metal 2organic chemical vapor deposition (MOCVD ).Alt hough t he underlying mechanism for t hese activation p rocesses is not yet f ully understood ,it is widely believed t hat hydrogen imp urities created in t he growt h passivate Mg acceptors by forming Mg 2H neut ral co mplexes.Observation of a local vibrational mode (LVM )for t he Mg 2N 2H complex by inf rared (IR )absorption [3]and Raman scattering [4]in as 2grown samples gives convincing evidence for t his hypot hesis.Therefore ,a po st growt h t reat ment is required to acti 2vate t he Mg acceptors t hrough dissociation of Mg 2H complexes.However ,t here is st rong evidence t hat p 2type do 2ping of GaN is a more complex p rocess and Mg 2H com 2plexes may not be t he only passivating centers [4,5].Theoretical calculations predict t hat nitrogen vacancies are t he dominant point defect s in p 2type GaN because of t heir low formation energy [6,7].Moreover ,due to t he high Mg ionization energy ,high doping concentrations in t he 1019cm -3range are required to achieve hole con 2cent rations in t he low 1017cm -3range.Saarinen et al .applied positron annihilation spectroscopy (PAS )to i 2dentify Mg G a 2V N complexes as important compensating centers in Mg 2doped GaN layers [5].Despite t hat ,we still lack an understanding of t he defect s responsible for determining t he electrical and optical p roperties of Mg 2doped GaN layers.In t his work ,we perform Hall and p hotolumines 2cence (PL )spect ro scopy measurement s of Mg 2doped GaN :Mg layers prepared by MOCVD.Two clo sely connected effect s are observed.First ,a R T PL band peaked around 218eV dominates t he PL spect ra.Sec 2ond ,t he hole concent ration as a f unction of Mg concen 2t ration reaches a maximum value.The stability of de 2fect s in heavily Mg 2doped GaN layers is also investiga 2ted.The role t hat Fermi level plays on defect stability in p 2type GaN :Mg layers is taken into account.2 Experimentp 2type GaN :Mg layers were grown on sapp hire substrate using a horizontal MOCVD reactor.Trimet h 2yl 2gallium (TM Ga )and ammonia (N H 3)were used as Ga and N precursors ,respectively ,and bis 2cyclopenta 2dienyl magnesium (Cp 2Mg )as t he p 2type dopingsource.First ,a 4μm semi 2insulating GaN (n <5×1016cm -3)layer was grown on sapp hire followed by a 115μm GaN :Mg layer at 1040℃.The mole ratio of Cp 2Mg to TM Ga ([Cp 2Mg ]/[TM Ga ])varied be 2半 导 体 学 报第29卷Fig.1 (a)PL spectra for GaN:Mg layer before and after annea2 ling at different temperatures;(b)Relative intensity of BL to UVL as a f unction of annealing temperaturetween01004and01015.To achieve p2type characteris2 tics in t he GaN:Mg layer,rapid t hermal annealing (R TA)was carried out under various conditions.A one2step R TA p rocess was performed o n t he samples p repared wit h a[Cp2Mg]/[TM Ga]ratio of010065at temperat ures of550,650,750,850,and950℃in N2at2 mo sp here for20min.The samples were st udied by PL and R T Hall measurement s in t he as2grown co ndition and after each annealing step.Photoluminescence was excited wit h t he325nm line of a He2Cd laser(10mW). 3 R esults and discussionFigure1(a)shows t he typical PL spectra at295K of GaN:Mg layers before and after annealing at differ2 ent temperat ures.The peak centered at~315eV corre2 sponds to t he band edge emission of t he underlying GaN layer.An apparent intensity ultravioletemissionFig.2 Hole concentration and resistivity in GaN:Mg layers as determined by Hall measurement versus the annealing tempera2 tureband around312eV(UVL)is observed in t he as2 grown sample,which was previously att ributed to do2 nor2acceptor pair(DA P)emission involving a shallow do nor of unknown origin and a Mg acceptor[8].After annealing,t he intensity of t his DA P emission band is decreased by one order of magnit ude and t he peak posi2 tion gradually shift s to3127eV(UVL).The shift in t he peak position may be explained by t he reduction of potential fluct uations[9]as a result of screening from t he carriers.A t hird band wit h a peak around218eV (BL)is observed and t he intensity of t his peak changes significantly after annealing.To clearly demo nstrate t he change of t he intensity of t he observed peaks,Fig2 ure1(b)shows t he relative intensity of BL to UVL (BL intensity/UVL intensity)as a f unction of annea2 ling temperat ure(T).BL intensity/UVL intensity in2 creases after annealing at550℃,but decreases when t he annealing temperat ure is elevated from650to 850℃,and finally increases sharply when t he annealing temperat ure is raised to950℃.The observed change in t he PL spect ra upo n an2 nealing can be attributed to changes in t he defect con2 cent rations.Prior to annealing,shallow donors are p resent in high concent rations,leading to UVL.Upon annealing at550℃in nit rogen,t he shallow donors are eliminated and t he intensity of UVL decreases sharply. Since t he UVL is quenched by annealing at a relatively low temperat ure of550℃,it must involve a donor t hat has a high diff usivity.One possibility is hydrogen, which has a high diff usivity in GaN and has been p re2 dicted to be a donor[10].IR absorption[3]and Raman scattering data[4]show clear evidence t hat H2related complexes are present in as2grown GaN:Mg layers. The BL t hat becomes dominant upon annealing has been p reviously att ributed to deep donor shallow ac2 ceptor(DDA P)emission,where,in t his case,t he do nor is deep and t he acceptor is shallow[9].Figure2shows t he hole concent ration and resis2 tivity in GaN:Mg layers annealed at different tempera203第1期Wang Lili et al.: Optical and Electrical Properties of G aN:Mg Grown byMOCVDFig.3 Dependence of the intensity of the PL bands(a),and the hole concentration of G aN:Mg layers on[Cp2Mg]/[TM Ga]ratio (b)t ures.The layers show poor p2type conductivity before annealing.Thermal annealing f rom550to950℃for 20min has no obvious effect on our GaN:Mg layers wit h high crystal quality,as demonst rated by X2ray dif2 f raction.After annealing at550℃,t he hole concent ration and t he resistivity change little.As t he annealing tem2 perat ure increases f rom550to850℃,t he hole concen2 t ration continuously increases from1016cm-3to8×1017 cm-3and t he resistivity decreases from9to018Ω・cm.However,t he hole concentration drop s dramatical2 ly after t he annealing temperat ure is raised to950℃, and t he resistivity increases to4Ω・cm.Figure3(a)shows t he dependence of t he intensity of t he PL bands,and Figure3(b)shows t he hole con2 cent ration of GaN:Mg layers on t he[Cp2Mg]/[TM2 Ga]ratio.The p2type GaN:Mg layers under investiga2 tion were annealed at750℃for20min.The increment of t he[Cp2Mg]/[TM Ga]ratio corresponds to t he in2 crease in Mg doping concent ration[11].The data in Fig.3(b)show t hat initially t he hole concentration increases as Mg doping increases,but de2 creases later for higher Mg doping concent rations.The resistivity shows t he oppo site t rend.The difficulties in achieving high hole concent ratio n above8×1017cm-3 and low resistivity below018Ω・cm appear to be p ri2 marily related to self2compensation of Mg[12].As indi2 cated in Fig13(a),for moderately Mg2doped p2type GaN,t he UVL is seen as a weak peak,compared to the Fig.4 Schematic energy band diagram to illustrate the peaks ob2 served in Mg2doped GaN D indicates the donor state,and DD in2 dicates the deep donor state.BL.For heavily Mg2doped GaN,however,t he UVL quenches,and t he BL dominant s t he spectra.It seems t hat t he intensity of t he BL,is not directly related to t he p2type conduction mechanism[13],but increases as t he Mg doping concent ration increases.This band has t herefore been assigned to t he recombination involving isolated Mg acceptors and deep donors presumably in2 duced by self2compensation.A candidate for t he deep do nor is Mg G a associated wit h a nit rogen vacancy (V N),which is t he only native defect wit h a relevant concentration in p2GaN[7],and has t he oppo site charge of Mg G a.Thus,neut ral Mg G a2V N complexes are expec2 ted to form.At a growt h temperat ure around1000℃t he constit uent s are oppo sitely charged and V N is mo2 bile.After t hermal annealing at550~850℃t he Mg G a2 V N complexes dissociate and V N migrates to t he sur2 face.As a result,t he hole concent ration increases,while t he intensity of BL decreases,as shown in Figs.1and 2.The Mg G a2V N complexes are observed in as2grown MOCVD GaN:Mg,but not in t he material grown by MB E[5].The relevant difference is related to t he p res2 ence of hydrogen in t he growt h environment.The as2 grown MOCVD GaN:Mg commonly shows poor p2type conductivity because Mg acceptors are passivated by hydrogen.A post growt h t hermal anneal is required to activate t he Mg acceptors and obtain significant hole concentration,as illust rated in Fig12.Hydrogen is ab2 sent in t he MB E growt h and t he as2grown material al2 ready possesses well p2type conductivity.These result s suggest t hat t he Mg G a2V N complexes are stable at t he growt h temperat ure around1000℃only if t he Fermi level is close to t he midgap;ot herwise t he complexes dissociate.Thereby,as shown in Figs.1and2,when t he annealing temperat ure is raised f rom850to950℃, large amount s of V N are expected to form.As a conse2 quence,t he net hole concentration drop s,and t he Fermi level moves away from t he maximum of t he valence band,which result s in t he formation of Mg G a2V N com2 plexes again.Based on t he analysis above,t he dramatic increase in t he intensity of BL in Fig.1is understanda213半 导 体 学 报第29卷ble.In summary,Figure4shows a schematic energy band diagram to illust rate t he DA P peak(UVL)and DDA P peak(BL)observed in Mg2doped GaN layers. The shallow donor respo nsible for UVL is att ributed to hydrogen,whereas t he deep donor defect responsible for BL is attributed to nit rogen vacancy complexes as2 sociated wit h Mg acceptors.4 ConclusionAfter annealing at850℃,a high hole concent ra2 tion of8×1017cm-3of and a resistivity of018Ω・cm are obtained.PL and Hall result s on Mg2doped GaN layers indicate t hat t he difficulties in achieving higher hole concent ration appear to be related to self2co mpen2 sation and hydrogen passivation.The observed depend2 ence of t he relative intensity of BL to UVL on annea2 ling temperat ures can be explained in terms of hydro2 gen donors.Upon annealing,t he hydrogen related DA P defect s dissociate and t he associated luminescence band quenches,whereas Mg acceptors are activated and hole concentration increases.There is evidence t hat deep do2 nors,which are assigned to Mg G a2V N complexes,are formed as t he Mg doping concent ration increases.The Fermi level po sition may be a critical factor in t he sta2 bilization of Mg G a2V N co mplexes.When t he Fermi level po sition is near t he maximum of t he valence band,re2 sulting from high hole concent ration,Mg G a2V N comple2 xes are not stable,and dissociate after annealing be2 tween550and850℃.R eferences[1] Amono H,K ito M,Hiramat su K,et al.P2type conduction in Mg2doped GaN treated wit h L EEBI.Jpn J Appl Phys Part2,1989,28:L2112[2] Nakamura S,Iwasa N,Mukai T,et al.Thermal annealing effect s onp2type Mg2doped GaN films.Jpn J Appl Phys Part1,1992,31:L139[3] G tz W,Johnson N,Bour D,et al.Local vibrational modes of t heMg2H acceptor complex in GaN.Appl Phys Lett,1996,75:1383 [4] Reboredo F A,Pantelides S T.Novel defect complexes and t heirrole in t he p2type doping of GaN.Appl Phys Lett,1999,82:1887 [5] Hautakangas S,Oila J,Alatalo M,et al.Vacancy defect s as com2pensating centers in Mg2doped GaN.Phys Rev Lett,2003,90:137402[6] Neugebauer J,Van de Walle C G.Theory of point defect s and com2plexes in GaN.Mater Res Soc Symp Proc,1996,395:645[7] Neugebauer J,Van de Walle C G.Atomic geometry and electronicstruct ure of native defect s in GaN.Phys Rev B,1994,50:8067 [8] Viswanat h A K,Shin E,Lee J I,et al.Magnesium acceptor levels inGaN studied by photoluminescence.J Appl Phys,1998,83:2272 [9] Reshchikov M,Y i G C,Wessels B W.Behavior of2.82and3.22eVphotoluminescence bands in Mg2doped GaN at different tempera2 tures and excitation densities.Phys Rev B,1999,59:13176 [10] Van de Walle C G.Interactions of hydrogen wit h native defect s inGaN.Phys Rev B,1997,56:R10020[11] Sugiura L,Suzuki M,Nishio J.P2type conduction in as2grown Mg2doped GaN grown by metalorganic chemical vapor deposition.ApplPhys Lett,1998,72:1748[12] Obloh H,Bachem K H,Kauf mann U,et al.Self2compensation inMg doped p2type GaN grown by MOCVD.J Cryst Growt h,1998, 195:270[13] Nakamura S,Iwasa N,Senoh M,et al.Hole compensation mecha2nism of p2type gan films.Jpn J Appl Phys,1992,31:1258MOCV D生长的G a N:Mg外延膜的光电性质3王莉莉 张书明 杨 辉 梁骏吾(中国科学院半导体研究所,北京 100083)摘要:用MOCVD技术生长GaN:Mg外延膜,在550~950℃温度范围内,对样品进行热退火,并进行室温Hall、光致发光谱(PL)测试.Hall测试结果表明,850℃退火后空穴浓度达到8×1017cm-3以上,电阻率降到018Ω・cm以下.室温PL谱有两个缺陷相关发光峰,位于218eV的蓝光峰(BL)以及3127eV附近的紫外峰(U VL).蓝光峰对紫外峰的相对强度(BL/U VL)在550℃退火后升高,之后随着退火温度的升高(650~850℃)而下降,继续提高退火温度至950℃,BL/U VL急剧上升.空穴浓度先随着Mg掺杂浓度的增加而升高;但继续增加Mg掺杂浓度,空穴浓度反而下降.这些结果表明要实现空穴浓度达1018cm-3,不仅要考虑H的钝化作用,还要考虑Mg受主的自补偿效应.关键词:霍尔效应;光致发光;p型GaNPACC:7280;7850G;7855中图分类号:T N30412+3 文献标识码:A 文章编号:025324177(2008)01200292043国家自然科学基金资助项目(批准号:60506001,60576003,60476021)通信作者.Email:wangll@ 2007205231收到,2007208216定稿Ζ2008中国电子学会23。