高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高
《MOCVD-GaN-蓝宝石衬底高温预处理减少GaN单晶位错的研究》范文
《MOCVD-GaN-蓝宝石衬底高温预处理减少GaN单晶位错的研究》篇一MOCVD-GaN-蓝宝石衬底高温预处理减少GaN单晶位错的研究MOCVD-GaN/蓝宝石衬底高温预处理对减少GaN单晶位错的研究一、引言随着半导体技术的飞速发展，GaN（氮化镓）材料因其独特的物理和化学性质，在光电子器件、电力电子器件等领域中获得了广泛应用。
然而，GaN单晶生长过程中常出现位错问题，这不仅影响材料的性能，也对器件的稳定性和可靠性造成了一定的挑战。
近年来，为了有效解决这一问题，许多研究者采用了不同的生长技术来制备高质量的GaN单晶。
其中，MOCVD（金属有机化学气相沉积）技术因其高生长速率和良好的可重复性而备受关注。
本文将重点探讨在MOCVD生长GaN/蓝宝石衬底时，高温预处理对减少GaN单晶位错的影响。
二、研究背景GaN作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高电子饱和速度和高热导率等优点，是制作高性能光电子和电力电子器件的理想材料。
然而，在GaN单晶的生长过程中，由于衬底与GaN之间的热膨胀系数和晶格常数差异较大，常常会出现位错等缺陷。
这些缺陷不仅会降低材料的性能，还会影响器件的稳定性和可靠性。
为了解决这一问题，研究者们尝试了多种方法，其中高温预处理技术被认为是一种有效的手段。
三、实验方法本研究采用MOCVD技术，以蓝宝石为衬底，通过高温预处理来优化GaN单晶的生长。
首先，将蓝宝石衬底置于高温炉中加热至预定温度进行预处理；然后，在预处理后的衬底上生长GaN 单晶；最后，对生长的GaN单晶进行性能测试和位错分析。
四、高温预处理对GaN单晶生长的影响1. 蓝宝石衬底的高温预处理：高温预处理可以有效改善蓝宝石衬底的表面质量和结晶性能，使其与GaN的晶格匹配度更高，从而降低位错产生的几率。
2. 优化GaN生长条件：通过高温预处理，可以调整蓝宝石衬底的表面化学状态和物理性质，为GaN的生长提供更好的条件。
例如，预处理可以去除衬底表面的杂质和缺陷，提高表面的平整度和均匀性，从而有利于GaN单晶的生长。
预处理蓝宝石衬底上生长高质量 GaN 显示薄膜
预处理蓝宝石衬底上生长高质量 GaN 显示薄膜彭冬生;冯玉春;牛憨笨;刘晓峰【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2008(31)1【摘要】Etch pits on sapphire substrate surface are formed after surface treating. GaN films have been grown by LP-MOCVD on the sapphire substrate, which a half of it is pretreated by chemical etch. The crystal quality and optical quality of GaN films are analyzed by high-resolution double crystal X-ray rocking curve (XRC) and optical transmission measurement. These results indicate that the crystal quality of GaN determined by transmission measurement is in agreement with that determined by XRC, that the (0002)plane and (1012) plane full-width at half-maximum by XRC of GaN films grown on pre-treated sapphire substrate are as low as 208.80arcsec and 320. 76acrsec, respectively. The transmission spectrum of GaN is studied to assess the crystal and optical quality. The epilayer grown on pre-treated sapphire substrate ex-hibits excellent optical quality, in which the yellow luminescence (YL) is nearly invisible in the photolumi-nescence (PL) spectrum. The epilayer grown on the pre-treated sapphire substrate exhibits superior opti-cal properties and crystal properties, in which the higher transmission ratio and the greater modulation depth can be shown in the transmission spectrum.%采用化学方法腐蚀部分 c-面蓝宝石衬底,在腐蚀区域形成一定的图案,利用 LP-MOCVD 在此经过表面处理的蓝宝石衬底上外延生长 GaN 薄膜.采用高分辨率双晶X射线衍射(DCXRD)、光致发光光谱(PL)、透射光谱分析GaN薄膜的晶体质量和光学质量.分析结果表明,CaN 薄膜透射谱反映出的 CaN 质量与 X射线双晶衍射测量的结果一致,即透射率越大,半高宽越小,结晶质量越好;对蓝宝石衬底进行前处理可以大大改善GaN薄膜的晶体质量和光学质量,其(0002)面及(1012)面XRD半高宽(FWHM)分别降低到 208.80arcsec 及 320.76arcsec,而且其光致发光谱中的黄光带几乎可以忽略.【总页数】4页(P57-60)【作者】彭冬生;冯玉春;牛憨笨;刘晓峰【作者单位】中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710068;中国科学院研究生院,北京,100049;深圳大学光电子学研究所,深圳,518060;深圳大学光电子学研究所,深圳,518060;深圳大学光电子学研究所,深圳,518060;深圳大学光电子学研究所,深圳,518060【正文语种】中文【中图分类】TN304.055【相关文献】1.在LiGaO2上生长高质量GaN [J], 晓晔2.高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高 [J], 黄华茂;杨光;王洪;章熙春;陈科;邵英华3.在ZnO／Al2O3衬底上生长高质量GaN单晶薄膜 [J], 毛祥军;叶志镇4.前处理蓝宝石衬底上生长高质量GaN薄膜 [J], 彭冬生;冯玉春;牛憨笨5.MOCVD法在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜的性能研究 [J], 孙孪鸿;邹军;徐家跃;李文博因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
在蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜的MOCVD工艺研究
摘要第三代半导体材料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）。
本文介绍了MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长GaN材料并利用其无掩模横向外延生长GaN 薄膜与同样生长条件下，在未经腐蚀预处理的蓝宝石衬底上外延的GaN 薄膜进行对比测试[1]。
测试分析结果表明，经过腐蚀预处理的GaN 衍射峰的半峰宽及强度、表面平整度、腐蚀坑密度都明显优于未经腐蚀预处理的GaN 薄膜，使原有生长条件下GaN薄膜位错密度下降50%。
并且通过Hal l 测试、x 射线双晶衍射结果、室温PL 谱测试[2]成功地制备出GaN单晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步测试结果。
测试研究发现增加缓冲层厚度、多缓冲层结构可以有效地降低位错密度、提高薄膜质量，其中通过中温插入层结构实验获得了质量最好的GaN 外延层[3]。
关键字：GaN MOCVD 蓝宝石衬底预处理缓冲层外延生长STUDY OF EPITAXIAL LATERAL OVERGROWTH OF GALLIUM NITRIDE ON SAPPHIRE BYMOCVDByHaiqing JiangSupervisor: Prof.Xianying DaiABSTRACTGallium-nitride-semiconductor offers good potential value for application in a wide range of optical display, optical recording and illumination due to its excellent quality. At present, molecular beam epitaxity (MBE), Chloride vapor phase epitaxy (HVPE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used to prepare GaN.This text introduces overgrowth of Gallium-nitride on sapphire by MOCVD and compares the result with that on non-corrode sapphire. The results proved that thinner full-width at half- maximum(FWHM)，higher intensity value of X-ray diffraction，smoother surface and lower density value of the etching pit were received using patterned substrate, which made sure that under the same growth process the density of the dislocations decreased 50%.After that, it also uses Hall Test, X-ray macle diffraction Test, and PL Spectrum Test under room temperature to check the GaN thin-film material. The results showed that multi-buffer-layer structure could decrease the density of the dislocations and improve the quality of the crystal structure. The GaN epilayer with Intermediate-Temperature insert layer had the best results of all the samples.KEY WORDS: GaN MOCVD surface pretreatment on sapphire substrate cushion epitaxial growth第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性1.2现有的GaN 基化合物的制备技术1.3GaN 现有制备技术对比第二章 MOCVD 中影响成膜因素第三章蓝宝石衬底表面预处理3.1蓝宝石衬底与处理的原因3.2实验探究与结果分析第四章研究缓冲层结构及其改进4.1传统缓冲层及其局限4.2实验探究及其结果分析第五章GaN 薄膜的生长研究5.1GaN材料的生长5.2生长的GaN 材料的测试结果第六章结论致谢参考文献第一章绪论1.1GaN 材料的基本特性GaN 首先由Johnson 等人合成，合成反应发生在加热的Ga 和NH3 之间，600~900℃的温度范围，可生成白色、灰色或棕色粉末(是含有O 或未反应的Ga 所致)[4]。
不同种类蓝宝石衬底上AlGaN-GaN异质结构的外延生长及特性研究
不同种类蓝宝石衬底上AlGaN-GaN异质结构的外延生长及特性研究近年来，GaN（氮化镓）材料因其在光电器件领域中的广泛应用，引起了科学家们的极大关注。
GaN材料具有优异的物理性能，包括宽禁带宽度、高热稳定性、高饱和电子迁移率等特点，因此被广泛用于高功率、高频率和高温电子器件中。
然而，GaN材料的外延生长工艺一直是研究者关注的重点之一。
外延生长是将一种材料沉积在另一种晶体衬底上，以形成具有特定晶体结构和性能的材料薄膜。
在GaN材料的外延生长中，选择合适的衬底对薄膜质量具有重要影响。
本文首先简要介绍了GaN材料及其在光电器件中的应用。
然后，介绍了蓝宝石衬底作为常用的外延衬底之一，以及其在GaN材料外延生长中所面临的问题。
由于蓝宝石衬底晶格参数与GaN材料的不匹配，导致了晶格缺陷的产生。
这些缺陷会显著影响GaN材料的光学、电学和热学性能。
针对这个问题，科学家们开始研究其他材料衬底，以寻找更好的替代品。
在这些研究中，AlGaN/GaN异质结构引起了广泛关注。
这种结构是通过在GaN材料上生长一层AlGaN 来实现的。
AlGaN/GaN异质结构可以抑制晶格缺陷的形成，提升材料质量。
实验中，研究人员利用金属有机化学气相外延（MOCVD）技术在不同种类的蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN异质结构。
然后，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等表征手段，对外延薄膜的形貌和结晶质量进行了分析。
实验结果表明，在不同种类的蓝宝石衬底上，成功生长了高质量的AlGaN/GaN异质结构。
准均匀的薄膜表面和良好的结晶性能表明，选择适当的外延衬底对于提升GaN材料质量具有重要作用。
此外，通过使用适当的外延条件，可以进一步改善异质结构的质量。
除了形貌和结晶性能的研究，研究人员还对不同衬底生长的AlGaN/GaN异质结构进行了电学性能表征。
通过测量薄膜的电阻率和载流子浓度等参数，可以评估材料的电学性能。
实验结果表明，选用不同种类的蓝宝石衬底对AlGaN/GaN异质结构的电学性能有一定影响。
高温处理对Si图形衬底上SiO2掩膜层的影响
TECHNICAL INNOVATIONSiC具有禁带宽度大、热导率高、电子迁移率大、临界击穿电场高等特点，在高温、高压、大功率器件领域有广泛的应用。
但Si衬底上异质外延3C-SiC薄膜的质量较低，阻碍了其在各应用领域的发展。
在SiC 和Si衬底界面处或外延薄膜内会产生大量的由应力释放引起的缺陷，如位错、层错、孪晶等[1-2]。
图形化衬底上侧向外延生长技术可以有效地解决这一问题，这一技术在选择性生长的基础上发展而来。
图形化衬底可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺获得，有微米级波浪形、“V”形，纳米柱状等[3-7]。
图形化衬底分为有掩膜图形和无掩膜图形两类，掩膜材料有SiO2、Si3N4或金属等[8-11]。
目前在图形化蓝宝石衬底上侧向生长的GaN材料的位错密度由108/cm2以上降低至107/cm2 [12]。
Oshita等人在Si（100）衬底上用SiO2作掩膜图形，在1000 ℃得到了质量良好的3C-SiC薄膜。
通过侧向外延技术的选择性生长可以最大程度地减少3C-SiC薄膜中的缺陷[13-14]。
然而掩膜材料和最优选择性生长工艺之间的矛盾关系是侧向外延生长中必须要考虑的因素，较高的生长温度可以获得质量更好的3C-SiC薄膜，但是低的生长温度可以减少对SiO2掩膜材料的伤害，SiO2掩膜图形层的完整性决定着外延薄膜的生长质量[3]。
在本论文工作中，通过3组实验来对比研究高温以及高温下通入H2和C2H2气体对Si（100）衬底上SiO2掩膜图形的影响。
1 实验过程本论文使用P型Si（100）衬底，电阻率2～10Ω ·cm，干氧氧化在Si衬底生长SiO2层，厚度分别是300 nm 和500 nm。
所有的衬底都经RCA标准清洗，后进行光刻，形成图形，再利用HF和NH4F组成的缓冲液对SiO2层进行湿法刻蚀，得到有SiO2掩膜层的图形化衬底。
刻蚀的图形为条形，其尺寸为15 μm或20 μm。
衬底图形制作过程如图1所示，图形窗口边沿（110）方向。
蓝宝石衬底上 GaN 厚膜的应力研究
蓝宝石衬底上 GaN 厚膜的应力研究李响【摘要】采用有限元计算软件并结合多层膜理论，对蓝宝石衬底上氢化物气相外延（HVPE ）生长氮化镓（GaN）厚膜的应力情况进行研究。
由于衬底和厚膜不同位置在高温生长后的降温过程中温度变化不同进而产生不同的热失配应变，将引起产生初始裂纹以及裂纹扩展现象。
针对上述过程，可以针对给定条件的生长体系，定性分析出 GaN 厚膜从裂纹产生到之后裂纹扩展的位置及方向。
得到的分析结果既能够很好的解释实验中遇到的现象，也能够对通过调节应力提高 GaN 厚膜生长质量提供理论指导。
%The finite element calculation software combining the multi -layers film theory is described and the stress condition of GaN thick film of HVPE growth on the sapphire substrate is studied in thispaper.During the high temperature growth cooling process,the temperatures in different locations of the substrate and the thick film are changed differently and the different thermal mismatch strains are produced as well,so the initial crack and crack propagation phenomena appear.The qualitative analysis method is studied for the above process and conducted for the location and direction of GaN thick film, from crack generation to later crack propagation,as per the regulated growth system.The analysis results can explain the experimental phenomena well and provide theoretical guidance on improving the GaN thick film growth quality by regulating stress.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P4-7)【关键词】氮化镓(GaN);应力;仿真;蓝宝石;薄膜;氢化物气相外延(HVPE)【作者】李响【作者单位】中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032【正文语种】中文【中图分类】TN30近年来，GaN材料由于应用广泛受到了越来越多的关注［1－2］。
图形化衬底上GaN基高温缓冲层的研究
科学技术创新2020.32图形化衬底上GaN 基高温缓冲层的研究吴洪浩周瑜霍丽艳（江西乾照光电有限公司，江西南昌330000）1概述20世纪90年代，日本科学家（中村修二、赤崎勇和天野弘）研制出了GaN 基蓝光LED ，自此，全世界爆发了研究GaN 材料的高潮[1-3]。
随着近些年材料生长和器件制备工艺的不断发展，蓝光GaN 基LED 的发光功率已经取得了重大的突破。
由于目前研究中，蓝光LED 作为主流研究内容，其可以为白色光源提供基本光源，从而大大降低全球的照明成本，因而诺贝尔奖评审委员会的申明指出：LED 会成为21世纪的主要光源[4]。
由于蓝宝石衬底相对简单易得，使得其成为目前使用最广泛的衬底，但它与GaN 材料之间因为存在明显的晶格失配和热膨胀系数失配，所以现有GaN 基LED 结构中即使使用了GaN 低温缓冲层，但在异质外延的GaN 材料中仍然存在大量的缺陷密度，此现象严重降低了GaN 的晶体质量和形成的器件的内量子效率。
此外，由于GaN 材料的折射率高于蓝宝石衬底及外部封装树脂，使得有源区产生的光子在GaN 上下界面发生多次全反射，严重降低了器件的光提取效率。
多数图形衬底的研究都是专注于减少线缺陷密度以及提高器件性能，对于高温GaN 缓冲层的影响关注很少。
图形衬底上生长的高温GaN 缓冲层对于后续生长的GaN 晶体质量以及LED 器件性能的影响尤为关键。
为此，本文研究了基于蓝宝石图形衬底的不同生长条件的高温GaN 缓冲层对GaN 晶体质量和LED 器件性能的影响。
2实验材料与设备本研究实验中所用到的金属有机源（MO 源）的配置为：三甲基镓（TMGa ），为生长GaN 材料提供给镓源，其特点为易分解，生长速率较快，引入C 杂质较多，一般用于生长GaN 缓冲层，N 型层等；三乙基镓（TEGa ），C-H 键较强，因此生长速率较慢，引入C 杂质较少，一般用于对生长质量要求较高的发光层；三甲基铟（TMIn ；），用来生长发光层，通过温度调节In 的含量，进而调节发光波长，影响发光亮度；二茂镁（Cp 2Mg ）：用于p 型掺杂，为发光提供空穴；硅烷（SiH 4）用于n 型掺杂，为发光提供电子。
蓝宝石衬底上高质量AlN材料生长研究
华中科技大学硕士学位论文蓝宝石衬底上高质量AlN材料生长研究姓名：冯超申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：陈长清2011-01-04华中科技大学硕士学位论文摘 要Ⅲ族氮化物以其优异的特性得到广泛关注，AlGaN体系材料对应发光波长在210-340nm，适合可应用于白光照明、生化检测、消毒净化等领域的紫外发光器件，成为目前研究的热点。
而AlGaN材料，由于体单晶的缺失，一般采用AlN作为生长模板。
因此，要得到适用制作器件的高质量AlGaN材料，制备高质量AlN材料成为必须要首先解决的难题。
AlN薄膜异质外延，常采用SiC、Si或蓝宝石作为衬底材料。
而AlN与这些材料不匹配，晶体质量很差。
本文围绕高质量AlN材料的生长展开，采用两步法生长，主要研究缓冲层生长参数对外延层的影响。
首先详细阐述MOCVD生长原理，本实验所用的表征设备HR-XRD、AFM等及数据处理方法。
根据AlN材料的特性，分析衬底选择、表面预处理、反应腔压力、V/III比等对AlN生长影响，确定相关生长参数。
然后探讨缓冲层生长温度对外延层结晶质量和表面形貌的影响。
在600℃~870℃区间内选取不同温度生长6个样品，而保持其他生长参数不变。
用透射谱、AFM、HR-XRD等检测，发现在690℃~780℃时表面出现原子级台阶，尤其在780℃，晶体质量比较好。
温度较低，位错密度大；温度较高，表面粗糙，出现许多小坑。
进一步改变缓冲层生长时间，来研究缓冲层厚度的作用。
生长3个样品，生长时间为4.4分钟时，样品(0002)面FWHM为116arcsec，(1012)面FWHM为1471arcsec，并且表面出现原子级台阶。
而外延层较薄较厚，表面均未出现台阶，晶体质量和表面形貌均很差。
根据这两组实验结果，分析缓冲层对外延层的作用机理。
最后在前面实验较好的生长模板上，采用连续方式生长一层高温AlN。
通过两组实验，在不同生长温度下，改变TMAl和NH3流量、V/III比等来初步探讨连续生长方式对AlN质量的影响。
高温退火对蓝宝石上生长mos2薄膜的影响研究
95一、引言单层的二维材料的表面原子几乎完全裸露，具有较大的比表面积和量子效应，有着不同于块体材料的优异性能。
与石墨烯类似，单层过渡金属硫化物有着诸多的优异的性能，当过渡金属硫化物材料从体材料变为单层薄膜材料时，其禁带宽度会随之产生变化，由间接带隙半导体变成直接带隙半导体，同时其光电性能也会发生显著的变化。
一些过渡金属硫化物还具有良好的光吸收和光致发光性能以及适合吸收辐射的禁带宽度，这些性能为过渡金属硫化物在光电器件等领域的应用创造了条件。
二硫化钼是一种典型的过渡金属硫化物，凭借其巨大的比表面积、超薄的层状结构和适宜的禁带宽度，在光电子学、纳米器件和纳米电子学等领域备受关注。
本文对已经生长过MoS 2薄膜的蓝宝石基片在空气中进行高温退火处理，以高温退火处理的蓝宝石基片和洁净的蓝宝石基片作为对照，用化学气相沉积法制备MoS 2薄膜，探究高温退火对蓝宝石上生长MoS 2薄膜的影响。
二、实验1.实验试剂三氧化钼，分析纯，大于99.5%；硫粉，分析纯，大于99.95%；乙醇，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
所用水均为去离子水。
2.实验装置本文采用的是管式炉化学气相沉积装置，主要由是由真空系统、气路系统和单温区加热系统三部分组成的。
真空系统主要由机械泵、真空规等组成，用来控制腔体内部的气压，以及结合气路系统在实验开始前对腔体内部进行洗气。
单温区加热系统主要用于控制反应物前驱体的气化以及二硫化钼薄膜的生长时的温度，温区的加热温度可以达到900℃以上。
气体控制系统主要由气体质量控制计、流量显示仪和电磁截止阀组成，用来控制通入真空体系内的气体的流速和种类。
3.沉积MoS 2薄膜（1）基片预处理将洁净的单晶蓝宝石基片放入烧杯中，倒入乙醇溶液至浸没基片，放入超声波清洗机中超声处理10min，然后用去离子水冲洗2-3遍后，放入可浸没的去离子水中超声处理15min。
将上述处理的基片吹干备用。
然后另取已经长过MoS 2薄膜的蓝宝石基片在900℃下在空气中退火3小时，待基片冷却后备用。
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高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高黄华茂;杨光;王洪;章熙春;陈科;邵英华【摘要】在图形化蓝宝石衬底生长低温缓冲层之前,通入少量三甲基镓(TMGa)和大量氨气进行短时间的高温预生长,通过改变TMGa流量制备了4个蓝光LED样品.MOCVD外延生长时使用激光干涉仪实时监测薄膜反射率,外延片使用高分辨率X射线衍射(002)面和(102)面摇摆曲线估算位错密度,并使用光致发光谱表征发光性能,制备成芯片后测试了正向电压和输出光功率.结果表明,高温预生长可促进薄膜的横向外延,使得三维岛状GaN晶粒在较小的薄膜厚度内实现岛间合并,有利于降低位错密度,提高外延薄膜质量,LED芯片的输出光功率的增强幅度达29.1％,而电学性能无恶化迹象;但高温预生长工艺中TMGa的流量应适当控制,过量的TMGa导致GaN晶粒过大,将延长岛间合并时间,降低晶体质量.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2014(035)008【总页数】6页(P980-985)【关键词】LED;GaN;图形化蓝宝石衬底;高温预生长【作者】黄华茂;杨光;王洪;章熙春;陈科;邵英华【作者单位】华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;鹤山丽得电子实业有限公司,广东鹤山529728;鹤山丽得电子实业有限公司,广东鹤山529728【正文语种】中文【中图分类】TN303;TN3041 引言第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有直接带隙、禁带宽度宽、化学稳定性和热稳定性好等优点，在光电子和微电子领域有巨大的应用价值。
由于大尺寸GaN体材料生长困难，目前GaN基发光二极管(LED)绝大部分都是在蓝宝石、碳化硅和硅衬底上进行异质外延。
但是，异质衬底与外延材料之间的晶格失配和热失配使得GaN外延层的位错密度较大、晶体质量较差［1］。
为提高蓝宝石衬底上GaN外延层的晶体质量，工业界最常采用的是缓冲层技术和图形衬底技术。
目前在蓝宝石衬底上使用的缓冲层包括低温AlN缓冲层［2］、高温 AlN 缓冲层［3］、AlGaN 缓冲层［4］、低温GaN缓冲层［5］以及高低温交替多层GaN缓冲层［6］等。
其中 AlN、AlGaN缓冲层需要增加 Al源，高低温交替缓冲层需要沉积多层薄膜，而低温GaN缓冲层技术具有生长工艺简单且无需增加原材料等特点，在工业界得到了广泛使用。
缓冲层可在一定程度上减少晶格失配和热失配引起的位错，但在阻止线位错向外延层延伸方面有一定局限。
图形化衬底技术可使外延薄膜横向生长，由于晶体生长方向与线位错扩散方向垂直，所以可有效地阻断线位错的延伸，提高外延层薄膜质量［7］。
而纳米尺寸微结构，例如纳米尺寸图形化蓝宝石衬底［8］、在微米尺寸图形化蓝宝石衬底上制备随机分布的纳米尺寸结构［9］或者使用碳纳米管制备图形化蓝宝石衬底［10］，都可有效地提升GaN外延薄膜的晶体质量。
在图形化蓝宝石衬底(Patterned sapphire substrate，PSS)上外延生长GaN薄膜，一般先将PSS放入金属有机物化学气相沉积(Metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)设备中在 H2氛围下高温烘烤以去除PSS表面污染物，然后再低温生长GaN缓冲层。
本文在高温烘烤衬底后，保持温度不变，通入少量的三甲基镓(TMGa)和大量的氨气(NH3)进行短时间的高温预生长，然后再降至低温生长缓冲层。
外延薄膜的晶体质量利用生长过程的实时干涉曲线、X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)谱和光致发光(Photoluminescence，PL)谱表征。
结果表明，利用高温预生长工艺，图形化蓝宝石衬底上外延GaN薄膜的晶体质量有明显改善，且存在TMG流量的窗口效应，即在高温时通入的TMG流量不宜过高。
2 实验采用Aixtron公司CRIUS型号MOCVD设备在PSS上生长GaN基LED外延片，传统生长过程如下:首先在1 100℃的H2氛围下高温烘烤衬底300 s;然后降温至约550℃生长30 nm厚的GaN缓冲层;再升温至1 070℃左右生长3．5μm厚的非掺杂GaN(u-GaN)和3．5μm厚的SiH4掺杂的n-GaN;接着生长350 nm的有源层，包括830℃生长的多量子阱(Multiple quantum well，MQW)应力释放层和780℃/870℃交替温度生长的MQW发光层;随后在870℃生长20 nm厚的p-AlGaN电子阻挡层，再升温至950℃生长300 nm厚的Cp2 Mg掺杂的p-GaN。
本文提出的高温预生长工艺与传统工艺的区别在于起始阶段:PSS衬底先在1 100℃左右的H2氛围下高温烘烤260 s，然后通入少量的TMGa和大量的NH3高温预生长40 s，再降温至约550℃低温生长GaN缓冲层。
在高温预生长过程中，Ga、N的量比小于1×10－4，即高温预生长处于富N环境中。
在富N条件下，N原子在衬底表面密集分布，Ga原子到达衬底表面后尚未扩散就与N原子结合形成GaN，晶体主要是三维岛状生长模式［11］。
我们设定NH3的流量为4．46 mol/min，调节TMGa的流量分别为0，86．86，152．00，217．15 μmol/min，生长了4组样品，分别记为样品A、B、C、D。
研究了高温预生长工艺中TMGa流量对外延薄膜质量的影响。
在MOCVD外延生长时，使用设备配置的法布里-帕罗激光干涉仪对薄膜反射率进行实时监测。
生长完成后的薄膜质量使用XRD摇摆曲线和PL谱表征。
XRD谱使用高分辨率X射线衍射仪(型号 D8 Discover)对样品进行(002)面和(102)面摇摆曲线的扫描，扫描精度为0．001°。
PL谱使用全自动荧光光谱仪(型号EtaMax)测量，激光波长为375 nm，光功率为4．75 mW，每片外延片在室温下测试414个点。
为进一步检验蓝光外延片的质量，将外延片按照生产线上标准工艺制作成芯片(9 mil×17 mil)，并使用配有半积分球的全自动晶圆点测机(型号LEDA-8F P7202)测试输入电流-正向电压(I-V f)曲线和输入电流-输出光功率(I-P)曲线，每片外延片测试156个芯片。
3 结果与讨论外延生长过程的实时干涉曲线如图1所示，其中15～20 min为高温烘烤过程，40～46 min为低温缓冲层生长过程，60～180 min为u-GaN生长过程，其他时间段为缓慢变温过程。
图1 样品A、B、C、D的实时干涉曲线。
Fig．1 The in-situ interference pattern经过15 min的准备时间后，开始高温烘烤并进行40 s的高温预生长，可以看到反射率基本在一条直线上，4个样品反射率的差异也并不明显。
这可能是因为高温预生长时间较短，GaN晶粒尺寸很小，对反射率几乎没有影响。
在随后的低温缓冲层生长过程中，样品A的反射率呈下降趋势，而样品B、C、D的反射率在40～50 min区间有一个突起，说明高温预生长工艺可提高低温缓冲层的表面平整度。
我们推测这是因为高温预生长工艺在PSS上表面(包括衬底图形的顶部、底部和侧壁)形成了三维岛状GaN晶粒。
样品A在高温烘烤过程中的TMGa流量一直为0，PSS上没有预生长的GaN晶粒，故在生长厚度较薄的低温缓冲层时，GaN主要分布在PSS的顶部和底部［12］，衬底表面平整度下降，反射率也下降。
当温度从生长低温缓冲层的550℃上升至生长n-GaN的1 070℃时，原子表面扩散能力增强，薄膜发生晶界联合再结晶，晶粒尺寸增大，衬底表面粗糙度增大，反射率仍呈下降趋势。
而样品B、C、D在高温、富N条件下形成随机分布的三维岛状结构，后续的低温GaN沿着岛状结构形成的结晶取向进行生长，有利于在整个衬底表面获得取向一致的多晶小岛，使得反射率上升。
当温度从550℃上升时，原子表面扩散能力增强，此时由于多晶小岛尺寸较大，薄膜表面空隙先被填平，粗糙度减小，反射率上升，反射率曲线在48 min附近出现尖峰。
随着温度的进一步升高，薄膜晶界联合后再结晶，晶粒尺寸增大，衬底表面粗糙度增大，反射率下降。
温度继续升高后，再次发生薄膜表面空隙被填平和晶界联合再结晶的过程，反射率曲线在50 min附近出现一个小的突起。
在接着生长u-GaN层的过程中，样品A、B、C、D的反射率快速上升至震荡区，而且样品B、C、D的反射率上升更快、峰值更高，说明高温预生长工艺可促进u-GaN薄膜的横向外延，使得GaN晶粒在较小的厚度内实现岛间合并，并减少u-GaN薄膜的位错和缺陷密度，提高u-GaN层的薄膜质量。
这可归因于经过高温预生长工艺和低温缓冲层工艺后在整个衬底表面上分布的GaN晶粒。
生长u-GaN时，GaN晶粒先进行横向生长至联合，此时反射率基本不变。
晶界联合后开始二维层状生长，反射率快速上升并随薄膜厚度的增大而呈震荡变化。
当薄膜质量达到一定程度时，表面粗糙度很小，反射率的振幅几乎不变。
与样品A相比，样品 B、C、D的震荡上升区(从u-GaN开始生长至反射率震荡区)的时间要短40 min左右，而且震荡区间的振幅都有一定程度的提升。
其中尤以样品B的反射率最高、振幅最大而且到达震荡区最快，说明样品B的薄膜质量最好、表面粗糙度最低。
而样品B、C、D的震荡上升区的反射率依次降低，上升时间依次延长。
这可能是因为随着TMGa流量的增加，PSS上三维岛状结构的尺寸增大，过大的晶粒尺寸反而不利于岛间合并，使得u-GaN达到同等薄膜质量的时间延长。
外延片生长完成后，样品GaN薄膜的XRD(002)面和(102)面摇摆曲线如图2所示。
将测试数据导入Leptos 6．02软件，可得到衍射峰的半高全宽(Full width athalf maximum，FWHM)，如表1所示。
XRD(002)面摇摆曲线的半高全宽Δωs与薄膜中的螺位错密度ρs和混合位错密度相关，而(102)面摇摆曲线的半高全宽Δωe与薄膜中的刃位错密度ρe和混合位错密度相关，且满足以下关系［13］:图2 外延片样品的XRD摇摆曲线。
(a)(002)面;(b)(102)面。
Fig．2 XRD rocking curves of(002)(a)and(102)(b)crystal face其中b s=0．518 5 nm和b e=0．318 9 nm分别是螺位错和刃位错的伯格斯矢量。
根据上式和表1所示的FWHM数据可估算4个样品的螺位错密度和刃位错密度，如图3所示。