AIGaN与GaN超晶格材料的外延生长及表征
InAlN-InGaN-(Al)GaN双异质结材料生长与特性研究
InAlN-InGaN-(Al)GaN双异质结材料生长与特性研究InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结材料生长与特性研究随着半导体材料的发展，InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结材料因其在紫外光电子学和光电器件等领域的广泛应用而备受关注。
本文将对该材料的生长方法和特性进行研究，以期为其进一步应用和优化提供理论依据。
InGaN材料是一种重要的III-V族宽禁带半导体材料。
其高电子迁移率、宽的光谱范围以及优异的发光性能使其成为实现紫外到绿色光发射的关键材料。
然而，InGaN材料在高铝成分下容易出现晶体缺陷和蠕变现象，限制了其在高功率光电器件中的应用。
为了克服这些问题，InAlN材料被引入进行缓冲层生长，提高了InGaN材料的结晶质量和光学性能。
同时，在InGaN层之上再引入AlGaN和GaN层，形成InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结材料，进一步改善了材料的性能。
本研究采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术进行材料生长。
首先，在蓝宝石衬底上生长一层InAlN缓冲层。
该缓冲层的厚度、铝成分和生长条件等参数对后续InGaN层的质量起着重要影响。
随后，在InAlN缓冲层上生长InGaN层，利用不同的生长条件和材料组分调节其光学和电学性质。
最后，在InGaN层之上生长AlGaN和GaN层作为上电极和保护层。
通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等表征技术对生长样品进行分析。
结果表明，采用合适的生长条件，InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结材料能够获得较好的结晶质量和界面特征。
XRD分析表明，样品具有明显的衍射峰，且峰位和强度符合理论计算结果。
SEM观察发现，材料的表面平整且无明显缺陷，结晶质量良好。
此外，本研究还对材料的光学和电学性质进行了研究。
光致发光（PL）光谱表明，在不同的生长条件下，样品能够发射出不同波长的光。
通过调节生长条件和材料组分，可以获得具有不同发光颜色和发光强度的样品。
GaN光致发光谱与穿透位错特性解析
GaN光致发光谱与穿透位错特性氮化镓（GaN）是宽禁带直接带隙半导体材料,具有优良的光学和电学性质,在蓝绿到紫外波段的光电子器件和高功率微波器件等领域有着广泛的应用前景。
在GaN基光电子器件中，材料中的缺陷和杂质所产生的深能级发光会降低带间辐射复合跃迁的发光效率。
在众多有关GaN薄膜光致发光（PL）特性研究的报道中,不同的样品所测的光致发光谱不尽相同,特别是对GaN半导体材料深能级发光的起源，不同文献的解释存在争议。
因此，进一步研究GaN的光致发光谱是必要的。
本文采用四种不同光源作为激发光源，实验研究了金属有机物汽相外延方法（MOVPE在蓝宝石衬底上生长的GaN的光致发光光谱特性。
结果发现采用氙灯光源和He-Cd激光器两种连续光作为激发光源时,PL谱中均出现较宽的黄带发光，其中心波长位于550nm 附近。
而采用YAG激光器和He-Cd激光器两种脉冲光作激发光源时,PL谱中主要出现中心波长位于约365nm的带边发光峰，而未出现黄带发光。
结果表明蓝宝石衬底上MOVP生长GaN薄膜的PL谱中黄带发光特性与激发光源性质有关。
这对于进一步研究深能级的起源有一定的参考价值。
GaN的深能级发光特别是黄带发光与材料的本生位错缺陷直接相关。
GaN通常在蓝宝石衬底上异质外延生长，然而蓝宝石异质外延衬底与GaN之间存在较大的晶格失配,导致GaN外延层中的位错缺陷密度高达108-1010cm-2。
延伸到GaN表面的穿透位错（TDs）会形成非辐射复合中心和光散射中心，降低光电子器件发光效率。
有文献报道只有纯螺型TDs和混合型TDs才是非辐射复合中心，也有报道部分纯刃型TDs对非平衡少数载流子有一定的非辐射复合作用。
总之，人们对穿透位错类型与非辐射复合中心的对应关系尚无统一的认识。
因此，研究GaN的穿透位错特性将有助于揭示其深能级发光机理。
本论文采用原子力显微镜（AF M）同位观测方法,对MOCV生长GaN样品标记区域进行表面形貌测试,统计得到每个位错坑的半径和深度在腐蚀前和2次腐蚀后的变化，并根据位错坑的初始位置，结构和腐蚀速率判定各位错对应的类型。
非极性a面GaN材料外延的成核过程及选区生长分析
非极性a 面GaN 材料外延的成核过程及选区生长分析杨琳（厦门大学嘉庚学院，福建漳州363105）摘要：为解决以往侧向外延生长、侧壁横向外延生长等方法存在的缺陷问题，文章借鉴前人研究成果提出一种选用钛图形化r 面蓝宝石衬底直接外延GaN 的生长方法，先在衬底表面制备一层钛掩膜，再在孔洞内选择性外延GaN ，由此改善GaN 表面与晶体的质量，降低各向异性，并且成功制备出高质量、平整的a 面GaN 薄膜。
通过观察SEM 、RSMs 与Raman 测试结果可知，该方法能够有效减小合并厚度、降低工艺成本，具备良好适用价值。
关键词：非极性GaN ；r 面蓝宝石；成核过程；各向异性作者简介：杨琳（1987-），女，福建漳州人，主要研究方向：建筑节能减排，建筑环境与设备，无机非金属材料生长工艺与应用。
Metallurgy and materials1材料与过程1.1材料与方法选用二氧化硅图形化的蓝宝石衬底进行GaN 的直接外延，相较于其他方法将薄膜生长过程省略,将二氧化硅厚度设为150nm ,图形周期为10μm ,最终制备出厚度为10μm 的平整GaN 薄膜。
X 射线衍射仪测试结果表明,面内摇摆曲线半峰宽沿c 轴、m 轴的最低值分别为597arcsec 和457arcsec ,但合并厚度仍较大。
为实现工艺质量优化，文章提出一种在钛图形化衬底上外延生长非极性a 面GaN 薄膜的工艺技术，通过选取钛做图形，可充分利用钛金属层在热耗散、紫外反射率、电流注入等层面的性能优势，增强工艺可扩展性与可操作性，降低成本消耗，有效提高a 面GaN 晶体质量、改善各向异性问题。
1.2实验过程（1）钛孔阵图形制备在r 面蓝宝石衬底上进行钛图形化处理，主要需完成以下五个操作步骤：一是沉积钛膜，选取规格为2inch 的蓝宝石衬底，利用电子束蒸发镀膜机以0.1A /s 的镀率在衬底表面蒸镀一层5nm 厚的钛金属薄膜，降低薄膜粗糙度，并为后续腐蚀工艺控制预留充足条件。
高Al组份AlGaN-GaN半导体材料的生长方法研究
高Al组份AlGaN-GaN半导体材料的生长方法研究高Al组份AlGaN/GaN半导体材料的生长方法研究摘要：高Al组份AlGaN/GaN半导体材料是一种重要的宽禁带半导体材料，其研究对于高功率高频电子器件的开发和应用具有重大意义。
本文综述了高Al组份AlGaN/GaN半导体材料的生长方法，包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术，并讨论了各生长方法的优劣势及其对材料性能的影响。
1. 引言高Al组份AlGaN/GaN半导体材料由铝镓氮化物(AlGaN)和氮化镓(GaN)组成，具有宽带隙、高热稳定性和高电子迁移率等优良特性，被广泛应用于高功率高频电子器件，如功率放大器、高电子迁移率晶体管(HEMT)等。
2. 生长方法2.1 分子束外延(MBE)分子束外延是一种通过在真空环境中利用分子束的热解、反应来生长材料的方法。
在高Al组份AlGaN/GaN材料的生长中，MBE技术可以实现高质量、均匀性好的薄膜生长。
通过控制材料的组成和外延温度等参数，可以调控材料的带隙、界面缺陷密度、载流子浓度等性能。
2.2 金属有机化学气相沉积(MOCVD)金属有机化学气相沉积是一种在化学反应中使用金属有机化合物作为材料源进行生长的方法。
MOCVD技术常用于生长AlGaN/GaN材料，具有生长速度快、控制能力强等优点。
通过选择合适的材料源和反应条件，可以实现高Al组份AlGaN/GaN材料的准确掺杂，而且能够在大面积基片上实现均匀生长。
3. 各生长方法比较3.1 结构和组分控制MBE技术具有分子束的直接轰击效应，可以在较高温度下实现高Al组份AlGaN薄膜的生长，对于梯度组分控制有较好的优势。
而MOCVD技术具有较高的化学反应活性，可以实现较高生长速度，但是对于高Al组份薄膜的生长存在一定的挑战。
3.2 性能和薄膜质量MBE生长的高Al组份AlGaN/GaN材料具有较低的表面缺陷密度和较高的结构品质，但是生长速度相对较慢。
(整理)InGaN材料特性.
InGaN材料特性InGaN 为第三代半导体材料，目前是人们研究的热点，它主要应用于光电器件和高温、高频、大功率器件［1］。
InN的禁带宽度为0.7eV［2］，这就意味着通过调节In x Ga1-x N三元合金的In组分，可使其禁带宽度从0.7eV(InN)到3.4eV(GaN)连续可调［3］，其对应的吸收光谱的波长从紫外部分(365nm)可以一直延伸到近红外部分(1770nm)，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，因此InGaN在太阳电池中的应用引起了人们密切的关注。
除了波长范围与太阳光谱匹配良好外，InGaN和常规的Si、GaAs等太阳电池材料相比，还有许多优点：第一，它是直接带隙材料，其吸收系数比Si、GaAs高一、两个数量级，这就意味着InGaN太阳电池可以做的更薄、更轻，从而节约成本，特别是应用于航天的太阳电池，减轻重量非常重要；第二，InN和GaN 的电子迁移率都较高，有利于减小复合，而提高太阳电池的短路电流；第三，InGaN的抗辐射能力比Si、GaAs等太阳电池材料强，更适合应用于强辐射环境［4］。
实验证明，GaAs/Ge太阳电池在2×1012MeV/g的质子轰击后，其最大功率降低了90%，而InGaN在高能粒子轰击后，光学、电学特性的退化不明显［5］。
第四，In x Ga1-x N特别适合制作多结串联太阳电池。
由于调节In组分可连续改变In x Ga1-x N的带隙宽度，因此在同一生长设备中，通过改变In组分就可生长成多结In x Ga1-x N太阳电池结构，比目前用几种不同的半导体材料制备多结太阳电池方便了许多［4］。
并且由于In 组分连续可调，能够达到设计的理想禁带宽度组合，而易获得更高的转换效率。
但是，由于高In组分的高质量InGaN薄膜的生长技术还有许多难点，目前尚未见到国内外成功制备InGaN太阳电池的文献报道。
本文通过阅读相关文献，对InGaN的生长方法、材料特性和性能表征做一总结。
国内首次用分子束外延生长出短周期InAa／GaSb超晶格
世界最薄材料有望取代硅片 英国曼彻斯特大学联手德国马克斯 ・ 普朗克研究所 已研制出世界上最薄的材料， 厚度 只
有一根头发的 ２ ０万分之一 。这种 新材料 的问世有望在电子计算机和医学等领域掀起一场新 的革命 。 超薄膜片 这种膜片 由碳原子六边形连接而成，状如蜂巢，但只有一个原子那么厚。 如果层层叠加 ，需要 ２ 万层才 能达到一根头发丝的厚度 。 ０ 科学家两年前创造出这种二维碳原子膜片，但必须贴在其他材料上。 如今， 研究人员 已 经可 以利用纳米级 的金制架 台将这种膜片悬挂起来 。 根据物理理论 ， 这种材料不可能稳定存在，因为它实际上是一种二维晶体结构，而这种 结构极易受热损毁。 但二维碳原子膜片 已经证明可 以稳定存在于室温真空中。 所有其他物质 薄 到 这种膜 片 １ 倍 厚度 时 ，就会 发 生氧化 、分解 ，不 能稳 定存 在 。 Ｏ 这种膜 片 之所 以能够 稳 定存 在 ，是 因为它 并非 静止 平铺 ，而 是轻 微波 动 。波 动 为这种 结 构提供 了第三维度 ，也就提供 了聚合力 。 承载分子 这种膜片将主要应用于大幅提高计算机运算速度和研制新药物。 此外， 它
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２０ 年 第 ５ ０７ 期
理化所成功地制备了宽度几个微米 的 Ｃ Ｓ纳米带，对纳米带的结构进行了表征 ，测量 了单 ｄ 根纳米带的光 电导性能。实验发现 ：纳米带的生长方向与其它 ⅡⅥ 族半导体纳米带不同； ． ＣＳ ｄ 单根纳米带的光谱响应、 光强度和时间响应速度 比体材料和薄膜 的响应速度快得多， 而 且纳米带的尺寸对纳米带的响应速度有明显的影响，宽度越小 ，响应速度越快；说明 Ｃ Ｓ ｄ 纳米带响应速度正比于纳米材料表面． 体积 比和单晶的完整度 ：在不同的气氛 中感光灵敏度 有 明显 不 同 。 这一研究进展表明 Ｃ Ｓ半导体纳米带在光敏器件和气体传感器等光电应用方面有广泛 பைடு நூலகம்ｄ 的前 景 。
aln与gan晶格常数 -回复
aln与gan晶格常数-回复AlN (氮化铝) 和GaN (氮化镓) 是两种重要的半导体材料，具有广泛的应用领域。
在研究和开发过程中，对于晶格常数的了解至关重要。
晶格常数是描述晶体内原子排列的参数，可以提供关于材料物理性质的重要信息。
本文将基于这两种材料，逐步解释和探讨AlN和GaN的晶格常数。
首先，我们将介绍AlN和GaN的基本特性和结构。
AlN 和GaN 模拟二维材料都具有六边形的晶格结构，称为六角晶格。
这种晶格由两个互相平行，但方向不同的轴构成。
相邻原子之间的距离和晶格结构对材料的性质有着重要的影响。
接下来，我们将探讨如何确定AlN和GaN的晶格常数。
实验方法是确定晶格常数的常用工具之一。
可以使用X射线衍射技术，通过测量材料衍射图样的位置和强度来获得晶格常数的值。
X射线衍射技术是在实验室或大型设施中进行的一种非常常见的技术。
通过使用该技术，我们可以准确测量AlN和GaN的晶格常数，并将其与理论值进行比较。
在理论计算方面，可以使用第一性原理计算方法，如密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)等，通过研究材料的电子结构和原子间相互作用来预测晶格常数。
DFT是一种先进的计算方法，已被广泛应用于材料科学研究中。
通过这种理论方法，我们可以得到准确的晶格常数的预测值。
对于AlN和GaN这样的复杂材料，实验结果和理论计算结果通常会有一定的偏差。
这是由于实验条件和理论模型的限制所导致的。
因此，为了获得更准确的结果，可以将实验结果和理论计算结果进行比较，以确定最符合实际情况的晶格常数。
需要注意的是，晶格常数有时会随着温度的变化而发生变化。
因此，对于温度敏感的材料，例如AlN和GaN，需要在不同温度下进行测量和计算，并考虑温度对晶格常数的影响。
在AlN和GaN的研究和应用中，晶格常数不仅与材料的结构和性质相关，还与工艺过程和器件性能密切相关。
由于晶格常数影响了材料的机械性能、界面强度和光电性能等重要特性，因此对于这些材料的实际应用而言，晶格常数的准确测量和理论预测是至关重要的。
LPE生长GaN的不同极性面的光学性质
Abstract:The polarization effect in gallium nitride ( GaN) will reduce the efficiency of light-emitting diodes ( LEDs) , so the research on non-polar and semi-polar bulk GaN has received extensive attention. The purpose of our research is to optimize the growth of bulk GaN by exploring the luminescence characteristics between different polar directions of GaN and the fundamental mechanism of impurity doping. In this paper, the bulk GaN single crystals with different polar directions grown laterally by the Na-flux method are used as the research object. The optical properties and impurity distribution characteristics of bulk GaN with different polar directions were compared, and the origin of yellow luminescence ( YL) band of bulk GaN and its influencing factors were discussed. At the beginning, the optical properties of GaN bulk single crystals with different polar directions by liquid phase epitaxy ( LPE) were studied by cathodoluminescence ( CL) and photoluminescence ( PL) . The experimental results show that optical properties of bulk GaN with different growth polar directions are different. The CL and PL characteristics of [1122] and [1120] GaN grown in the lateral direction are similar, but the spectra of [0001] GaN is quite different. The impurity peak of the photoluminescence contains two shoulder peaks, peak 1 (2. 2 eV) and peak 2 (2. 6 eV), which accounted for different proportions in different polar directions. We speculate that they are related to the CN ON complex and the 0 / + energy of CN defect respectively. Then through time of flight secondary ion mass spectrometer ( TOF-SIMS) element analysis, the distribution of C impurity is relatively uniform. There is a big difference in the distribution of oxygen impurity. In the [1122] GaN region, the oxygen impurity content gradually increases along the growth direction. Combined
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。
基于自支撑GaN衬底上垂直结构AlGaNGaN CAVET MOCVD外延生长及器件性能研究
基于自支撑GaN衬底上垂直结构AlGaN/GaN CAVET MOCVD外延生长及器件性能研究近年来,Ⅲ-Ⅴ族GaN材料及AlGaN/GaN异质结由于临界击穿场强高、热传导性好、电子饱和迁移率快和电子面密度高等优点在高频、高压和大功率器件的应用使其得到国内外广泛关注。
然而,水平结构AlGaN/GaNHEMT目前面临着电流崩塌、增强型、封装兼容性、可靠性以及高耐压等问题阻碍其应用和进一步发展。
垂直结构AlGaN/GaN CAVET(Current Aperture Vertical Electron Transistor)结合了水平结构AlGaN/GaN HEMT高浓度二维电子气和垂直结构GaN基MOSFET 高击穿电压等优势开始获得关注。
器件工作时电流从源极沿着二维电子气沟道到达栅极,利用高阻GaN或p-GaN作为电流阻挡层使电子只能通过高电导率的导通通孔到达GaN衬底上漏电极,控制栅极电压释放和耗尽沟道中的电子,实现器件的开启与关断。
基于A1离子注入形成高阻GaN、Mg掺杂或者Mg离子注入形成p-GaN作为电流阻挡层的垂直结构AlGaN/GaN CAVET在调节导通通孔电导率、抑制二次外延生长界面污染、修复离子注入导致晶格损伤、消除Mg记忆效应、解决N面GaN欧姆接触和DC-RF电流崩塌等问题上进行深入研究。
本论文从软件Silvaco Altas和TRIM模拟、MOCVD外延生长和器件工艺制作以及电学性能表征等对存在的问题展开讨论,研究内容如下:1.提出了 MOCVD外延GaN成核层时载气由H2切换为N2引入刃位错,结合外延GaN漂移区时降低生长温度和Ⅴ/Ⅲ比引入非故意C掺杂降低背景载流子浓度,获得方块电阻RSH为106Ω/□的高阻GaN。
进而优化势垒层AlGaN的Al组分和厚度、AlN插入层和GaN盖帽层外延AlGaN/GaN HEMT全结构,Hall测试结果为:方块电阻RSH=332.9 Ω/□,迁移率μ=1920 cm2/V·s,载流子浓度Ns为9.7×1012cm-2。
GaN外延材料厚度的主要测量方法
GaN外延材料厚度的主要测量方法1 X射线双晶衍射法2 基于反射谱的薄膜厚度测量法3 基于透射谱的薄膜厚度测量法4 红外干涉法测量薄膜厚度1 X射线双晶衍射法X射线双晶衍射法采用GaN外延膜衍射峰的积分强度和衬底衍射峰的积分强度的比值与样品厚度的线性关系来测量GaN外延膜的厚度。
对GaN外延膜的某个衍射而言，通常在GaN 样品厚度t<2μm时，GaN外延膜衍射峰的积分强度和衬底衍射峰的积分强度的比值与外延膜的厚度成很好的线性关系。
因此，在实际测量中，只要分别测量GaN外延膜的0002衍射峰的积分强度和蓝宝石衬底0006衍射峰的积分强度，然后算出两者的比值，就可以推算出GaN外延膜的厚度。
图1 X射线衍射光程示意图中国科学院半导体研究所的冯金、朱建军等人利用X射线双晶衍射法对GaN外延层厚度进行了测试。
图1为GaN外延膜衍射峰的积分强度与外延膜厚度的关系。
由图1可见，当t<1μm时，该积分强度与厚度为线性关系（如虚线所示）；而当t>1μm时，积分强度与厚度已经偏离线性关系，样品的吸收影响越来越大。
进一步采用GaN外延膜衍射峰的积分强度和衬底衍射峰的积分强度的比值与样品厚度的关系来测量GaN外延膜的厚度，结果如图2所示。
由图2可见，该比值与GaN厚度成很好的线性关系，与理论计算计算结果一致。
图2 GaN外延膜厚度与其积分强度关系 GaN和衬底积分强度比值与GaN延膜关系该测量方法对GaN外延膜的结晶质量要求不高。
同时消除了因GaN吸收造成的影响，比单纯用GaN外延膜衍射峰的积分强度与样品厚度的关系测量GaN外延膜厚度精度更高，更方便可靠。
因此，该测量方法是一种快捷、准确和具有非破坏性的GaN外延膜的常规测量方法。
2 基于反射谱的薄膜厚度测量法该测量方法用可见光-紫外光分光光度计对GaN外延膜的反射谱进行测量。
其原理图如图3所示。
光束在以入射角θ1照射到晶体表面，一部分直接反射，另一部分则发生折射进入GaN晶体，折射角为θ2，入射光束在Si表面反射后再次折射后形成反射光2与反射光1发生干涉。
增强AlGaN GaN 超晶格中Mg的掺杂效率
增强AlGaN / GaN 超晶格中Mg的掺杂效率Peter Kozodoy.一个Yulia P Smorc hkova Monica Hansen,惠明星)，Steven P DenBaars 和Umesh K.Mishra电气与计算机工程系和材料系，加利福尼亚大学，Santa Barbara,主巴巴拉，加利福尼亚93106A.W.Saxler,R.Perrin,w C.Mitchel空军研究实验室，材术4和制造局，AFRL/反洗钱士，莱特帕特森空军基地，俄亥俄45433-7707Mg 掺杂空穴传输性能的AlGaN/GaN 超晶格的仔细检查。
变温尔效应测量表明，这种超品格的使用提高了平均值。
空穴浓度在温度120 K 的"VE 数量级相比，GaN 体*LM~室温是高9 !。
一个不寻常的调制掺杂方案，WH 我直用分子束外延实现，取得了较高的空穴迁移率超晶格和压电极化测定证明，自发的举足轻重的作用超品格的能带结构。
高导电性的p 型GaN 和AlGaN 的发展是一个至关重要的电子和光电了器件。
然而，镁掺杂的Mg 受主和随之而来的低受主电离率的深层本质，以及较低的空穴迁移率在大量的Mg 摻杂GaN。
1甚至更严重的问题是在AIGaN 合金，当EF物杂效率在室温下可以相当低。
2 的情况进一步恶化，当德副运行在较低的温度下所需的温变较低，这导致迪米尼城门洞浓度。
使用AlGaN/GaN 异质结已被提出作为个增加的平均孔3t's 和我们最近的工作提供了增加孔c 实验示范技术浓度在室温下通过AIGaN/GaN超晶格的使用。
6孔增强机日品地比n 流日油级流任干费米能级。
产生的穴在带边.接近费米能级的地方累积，形成了一个载波。
虽然自由载流子是分开的。
为平行板，其空间平均密度将大大高于简单的散装*lm.aged! 和Mg 掺杂al0.2ga0.8n/gan苏流动如图2 所示为一个函数关于L，厚厚的-高电领域由于自发和压电极化的AlGaN 层内紧张预期烈影响的能带弯曲的超晶格中。
超薄势垒Al(Ga)N-GaN HEMT材料分子束外延与器件制备研究
超薄势垒Al（Ga）N-GaN HEMT材料分子束外延与器件制备研究超薄势垒Al（Ga）N/GaN HEMT材料分子束外延与器件制备研究摘要：超薄势垒Al（Ga）N/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种具有优异电子输运性能的材料，被广泛应用于高频高功率电子器件制备中。
本文通过分子束外延技术研究了超薄势垒Al （Ga）N/GaN HEMT材料的生长机制与表征方法，并进一步探讨了器件制备的关键工艺参数对电子输运性能的影响。
1. 引言随着现代电子设备对高频高功率性能需求的不断增长，材料学科的发展变得尤为重要。
超薄势垒Al（Ga）N/GaN HEMT材料因其在高电场下具有优异的电子输运性能，成为研究热点之一。
通过分子束外延技术，可以实现对Al（Ga）N/GaN HEMT材料的精确控制生长，从而优化电子输运性能。
2. Al（Ga）N/GaN HEMT材料的生长机制与表征方法超薄势垒Al（Ga）N/GaN HEMT材料的生长机制涉及到多个步骤，其中包括表面的原位清洗、势垒层的生长、Ga原子的扩散等关键过程。
通过精确控制各阶段的生长条件，可以实现超薄势垒Al（Ga）N/GaN HEMT材料的几个重要性能指标的调控，如载流子浓度、迁移率等。
为了对超薄势垒Al（Ga）N/GaN HEMT材料进行表征，常用的方法包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）等。
SEM可以观察到样品表面的形貌和结构，AFM则能获得更高分辨率的表面形貌信息。
XRD是一种非常有效的结构表征手段，可以分析薄膜的晶体结构、晶格常数等。
3. 关键工艺参数对电子输运性能的影响超薄势垒Al（Ga）N/GaN HEMT材料的电子输运性能直接影响到器件的工作性能。
因此，通过调控关键工艺参数可以优化器件的性能。
其中，生长温度、材料配比、势垒厚度等是影响材料性能的重要参数。
生长温度是影响超薄势垒Al（Ga）N/GaN HEMT材料晶体质量和载流子浓度的重要因素。
一种外延生长高质量GaN薄膜的新方法
一种外延生长高质量G a N 薄膜的新方法3彭冬生1)2)3) 冯玉春3) 王文欣3) 刘晓峰3) 施 炜3) 牛憨笨31)(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710068)2)(中国科学院研究生院,北京 100049)3)(深圳大学光电子学研究所,深圳 518060)(2006年1月19日收到;2006年2月21日收到修改稿) 采用化学方法腐蚀c 2面蓝宝石衬底,以形成一定的图案;利用LP 2M OC VD 在经过表面处理的蓝宝石衬底上以及常规c 2面蓝宝石衬底上外延生长G aN 薄膜.采用高分辨率双晶X 射线衍射(DCXRD )、三维视频光学显微镜(OM )、扫描电子显微镜(SE M )和原子力显微镜(AF M )进行分析,结果表明,在经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜明显优于在常规蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜,其(0002)面上的XRD FWH M 为208180弧秒,(1012)面上的为320176弧秒.同时,此方法也克服了传统横向外延生长技术(LE O )工艺复杂和晶向倾斜高的缺点.关键词:表面处理,M OC VD ,横向外延生长,G aN 薄膜PACC :7280E ,68553广东省自然科学基金(批准号:04300863),广东省关键领域重点突破项目(批准号:2B2003A107),深圳市科技计划项目(批准号:200515)资助的课题.E -mail :H BNiu @11引 言以G aN 为代表的宽禁带直接带隙半导体材料是近年来国际上备受重视的新型半导体材料,其优异的物理、化学稳定性,高饱和电子漂移速度,高击穿场强和高热导率等优越性能,使其成为短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料[1—3].但由于G aN 本身物理性质的限制,G aN 体单晶的生长具有很大的困难,尚未实用化,所以,外延G aN 都是在异质衬底上进行.蓝宝石是外延G aN 薄膜最为普遍的一种衬底材料,但由于它和六方G aN 外延层有很大的晶格失配(16%),热膨胀系数也有较大差异,在外延生长时会产生大量的晶体缺陷[4].为了降低G aN 的晶体缺陷,采取了很多方法,其中最有效的方法就是采用横向外延(lateral 2epitaxial 2overgrown ,LE O )技术,位错密度可以降低几个数量级[5,6].但由于传统的横向外延生长技术都采用了掩膜版,不仅使得横向外延工艺复杂,而且掩膜区外延薄膜和底下的掩膜版之间的相互作用,使得横向外延生长的掩膜区薄膜会发生向下的晶向倾斜以及在掩膜区边界处会产生一些小角度晶界[7,8].为了克服传统横向外延生长存在的问题,现采用一种新型的、简便的无掩膜横向外延技术,并结合M OC VD 薄膜生长技术,在蓝宝石衬底上生长高质量、低位错密度G aN 薄膜.21实验本文外延生长所用的设备是Thomas S wan 3×2″的LP 2M OC VD ,该设备为垂直式,即气流与衬底片平面垂直.实验所用的衬底为c 2面的蓝宝石.针对蓝宝石衬底上传统横向外延生长G aN 薄膜存在的问题,采用化学方法处理蓝宝石衬底表面,以形成一定的图案,然后再在此一定图案的蓝宝石基底上外延生长G aN 薄膜.即采用熔融的K OH 溶液,在250—350℃的温度下,用钢丝绳将2″蓝宝石衬底的一半左右浸入腐蚀液中,腐蚀30—60min ,以形成一定的图案,这样一片蓝宝石衬底形成两个区域,即腐蚀区域和未腐蚀区域;然后,将腐蚀好的蓝宝石衬底用去离子水冲洗干净,然后用丙酮超声3—5min ,以去除衬底上的有机物,再用去离子水冲洗干净;甩干.以三甲基镓(T MG a )为G a 源,高纯NH 3为氮第55卷第7期2006年7月100023290Π2006Π55(07)Π3606205物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.55,N o.7,July ,2006ν2006Chin.Phys.S oc.源,H2为载气.将处理好的蓝宝石衬底放入M OC VD反应腔内,然后,在NH3气氛下,将反应室温度升到1000℃,对衬底进行氮化处理,以清洁蓝宝石表面;在氮化处理之后,将温度降低到525℃生长约25nm 的G aN缓冲层,再升温至1060℃,沉积10min左右高温G aN薄膜,然后将ⅤΠⅢ比由2500增加到5000,以提高横Π纵向生长速率比,使其横向生长出平整的、高质量的G aN薄膜;总外延层厚度约为3μm,整个生长过程,反映室压力始终保持在133×100Pa,降温过程为台阶梯度式慢降温.采用高分辨率双晶X射线衍射仪(DCXRD)分析G aN的结晶质量,三维视频光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SE M)和原子力显微镜(AFM)分析表面形貌.DCXRD设备为PHI LIPS公司PW3040Π00,该设备采用Cu2Kα1旋转辐射靶源(λ=0115405nm), G e(004)为单色仪,Si(220)作为分析晶体;OM是日本HIROX C O1LT D公司MX22005C;SE M是日本J E O L公司JS M25910LV;AFM是日本Seiko Instruments Inc.公司SPA300H V2AFM.3.测试结果及讨论 用熔融的K OH腐蚀蓝宝石时,由于蓝宝石衬底本身具有一定的缺陷,在缺陷集中的位置,腐蚀速度较快,这样蓝宝石衬底就在缺陷集中的位置形成一定的腐蚀坑,也就形成了一定图案的蓝宝石衬底,如图1所示.由于观察效果的关系,图1中这些腐蚀坑像是凸起,而实际上为凹坑,为了进一步验证,用AFM观察这些腐蚀坑的形貌,如图2所示,从图2中可明显地看出是凹坑.图1 表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底形貌图图2 蓝宝石表面的腐蚀坑形貌图采用X射线双晶衍射仪的三轴晶系统测试化学腐蚀前、后蓝宝石衬底,从三轴晶系统的扫描曲线中均可得到清晰的Al2O3(0006)衍射峰,图3为化学腐蚀前、后蓝宝石衬底的(0006)DCXRD摇摆曲线.70637期彭冬生等:一种外延生长高质量G aN薄膜的新方法3图3 蓝宝石衬底腐蚀前、后的DCXRD摇摆曲线 (a)为腐蚀前;(b)为腐蚀后X 射线双晶衍射的半峰宽值(FWH M )和晶体的完整性直接相关,数值越小,表明衬底表面的晶格的完整性越高.因而双晶衍射摇摆曲线可以充分反映出衬底表面的质量.图3中显示,蓝宝石衬底在腐蚀前、后的FWH M 分别为10144弧秒和11152弧秒,其FWH M 相差不大,这表明化学腐蚀对蓝宝石衬底的表面质量影响不大.X 射线衍射公式即简化布拉格方程为2d sin θ=λ,(1)对于Al 2O 3(0006)面,其d =c Π6,代入(1)式得c =3λΠsin θ,(2)其中λ为X 射线波长,d 为衍射面间距,c 为蓝宝石衬底c 方向晶格常数.图3中显示,蓝宝石衬底在腐蚀前、后的衍射峰位置为20179°和20197°,将其代入(2)式得c 方向的晶格常数为113016nm 和112909nm ,而无应力体材料蓝宝石c 方向的晶格常数为113000nm,这表明,蓝宝石衬底在腐蚀前几乎无残余应力,而经过化学腐蚀之后,衬底表面在垂直方向上表现出一定的压应力.在蓝宝石衬底的腐蚀区域和未腐蚀区域生长的G aN 薄膜,样品表面均为镜面,在腐蚀区域外延生长的G aN 薄膜,记为样品A ,在未腐蚀区域外延生长的G aN 薄膜,记为样品B .采用X 射线双晶衍射仪的三轴晶系统测试样品A 和样品B ,从三轴晶系统的扫描曲线中均可得到清晰的G aN (0002)和(1012)衍射峰,图4为样品A 和B 的(0002)和(1012)DCXRD 摇摆曲线.G aN (0002)和G aN (1012)的FWH M 大小分别表征了G aN 薄膜的螺位错和刃位错密度的大小.图4中显示,样品A 在(0002)和(1012)的FWH M 分别为208180弧秒和320176弧秒;样品B 在(0002)和(1012)的FWH M 分别为281116弧秒和467164弧秒.可以看出,在(0002)面和(1012)面,样品A 的FWH M 均比样品B 的低,即对蓝宝石衬底进行表面处理可以大大降低G aN 薄膜外延位错密度.图4 样品A ,B 的DCXRD 摇摆曲线 (a )为(0002);(b )为(1012) 图5为样品A ,B 的SE M 图像,从图中可以看出:样品A ,B 表面均匀致密、无凹坑、无裂纹,表明样品A ,B 结晶质量良好,同时,也说明样品A 在横向外延生长过程中,两翼在腐蚀坑处实现了翼合,形成了平整的G aN 薄膜.图6为样品A ,B 的AFM 图像,图形尺寸为5μm ×5μm.样品A 的均方根粗糙度(RMS )为012863nm ;样品B 的RMS 为013251nm.表明在经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上生长的G aN薄膜的表面平整度也优于在常规蓝宝石衬底上生长的G aN 薄膜.由于样品A ,B 的外延生长条件完全相同,只是样品A 是在对蓝宝石衬底进行化学腐蚀,以形成一定图案的基础上,外延生长的G aN 薄膜;而样品B 是在常规蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜.从上述测试结果表明:样品A 的位错密度以及表面平整度均优于样品B .分析认为,这是因为对蓝宝石进行化学腐蚀,形成了一定腐蚀坑,而这些腐蚀坑的位置8063物 理 学 报55卷图5 样品A ,B 的SE M 图像 (a )样品A ;(b )样品B图6 样品A ,B 的AFM 图像 (a )样品A ;(b )样品B是缺陷集中的位置,这样在随后的外延生长过程中,在这些位置处不容易形核,即在沉积缓冲层低温G aN 薄膜时,首先在没有腐蚀坑的位置形核,形成一定的籽晶,然后再沉积高温G aN 薄膜,通过增大ⅤΠⅢ比,使其横向生长速度大于纵向生长速度,发生横向生长.当横向生长达到一定程度后,便会使两翼在腐蚀坑处聚合,得到全覆盖的G aN 外延层.由于在没有腐蚀坑处,本身不是缺陷集中的位置,同时在随后的横向外延生长过程中,其部分线位错弯曲90°,使其不能到达薄膜表面,这样可以大大降低位错密度;而且腐蚀坑的中空结构可以释放应力,提高外延层的质量.41结论本文是在通过化学方法腐蚀蓝宝石衬底,以形成一定的图案,然后在此一定图案的蓝宝石衬底上外延生长高质量的G aN 薄膜.采用DCXRD ,OM ,SE M 和AFM 分析经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜和在常规蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜的结晶质量和表面形貌.分析结果表明,在经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜明显优于在常规蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜.得到在经过表面处理形成一定图案的蓝宝石衬底上外延生长的G aN 薄膜(0002)面上XRD 的FWH M 为208180弧秒,(1012)面上XRD 的FWH M 为320176弧秒;在5μm ×5μm 尺寸内,其均方根粗糙度(RMS )为012863nm.采用化学方法腐蚀蓝宝石衬底,以形成一定图案,提供横向外延基底,通过横向外延生长,使两翼在腐蚀坑处聚合生长,这样可以大大降低位错密度,同时腐蚀坑的中空结构可以释放应力,提高外延层质量.此方法工艺简单、而且没有采用掩膜版,这样可以克服传统横向外延技术工艺复杂和晶向倾斜高的缺点.90637期彭冬生等:一种外延生长高质量G aN 薄膜的新方法3[1]Nakamura S,Senoh M,I wasa N,Nagahama S1995Jap.J.Appli.Phys.34L797[2]Fu Y,Sun Y P,Shen X M2002Chin.J.Semi.23120[3]Figge S,Bottcher T,E in feldt S2000J.Crystal Growth221262—266[4]K apolnek D,Wu X H,Heying B,K eller S,K eller B P,M ishra,UK,DenBaars S P,S peck J S1995Appl.Phys.Lett.671541 [5]K ato Y,K itamura S,H iramatsu K,Sawaki N1994J.CrystalGrowth144133[6]M archand H,Ibbets on J P,K oz odoy P,K eller S,S peck J S,M ishra U K1998MRS Internet Journal Nitride SemiconductorResearch31[7]Feng G,Zheng X H,Fu Y,Zhu J J,Shen X M,Zhang B S,ZhaoD G,W ang Y T,Y ang H,Liang J W2002J.Crystal Growth240368[8]Chen W M,M cNally P J,Jacobs K,Tuomi T,Danilewsky A N,Z ytkiewicz Z R,Lowney D,K anatharanaa J,K nuuttila L,RiikonenJ2002J.Crystal Growth24394A new method to grow high quality GaN film by MOCVD3Peng D ong2Sheng1)2)3) Feng Y u2Chun3) W ang W en2X in3) Liu X iao2Feng3) Shi W ei3) Niu Han2Ben3)1)(Xi’an Institute o f Optics and precision Mechanics,Chinese Academy o f Sciences,Xi’an 710068,China)2)(G raduate School o f Chinese Academy o f Sciences,Beijing 100049,China)3)(Institute o f Optoelectronics,Shenzhen Univer sity,Shenzhen 518060,China)(Received19January2006;revised manuscript received21February2006)AbstractPatterned c2plane sapphire substrate is prepared by chem ical etching.G aN films are grown by LP-M OC VD on surface treated sapphire substrate and comm on c2plane sapphire substrate.The structure and properties of the G aN films are analyzed by high2resolution double crystal X2ray diffraction(DCXRD),scanning electron m icroscope(SE M)and atom ic force m icroscope (AFM).The results indicate that the quality of G aN film grown on sapphire substrate prepared by surface treatment is superior to that grown on comm on c2plane sapphire substrate.H igh2resolution double crystal X2ray diffraction shows that for the G aN grown on surface treated sapphire substrate,the(0002)and(1012)reflections have full2width at half2maximum as low as208180arcsec and320176acrsec,respectively.The shortcom ings of procedure com plexity and high crystallographic tilt in conventional lateral epitaxial overgrowth are overcome by using the new method.K eyw ords:surface treated,M OC VD,lateral epitaxial overgrown(LE O),G aN filmPACC:7280E,68553Projected supported by Natural Science F oundation of G uangdong Province,China(G rant N o.04300863),the K ey Field K ey Breakthrough Program ofG uangdong Province,China(G rant N o.2B2003A107)and the Science and T echnology Plan Program of Shenzhen City,China(G rant N o.200515).C orresponding author.E2mail:H BNiu@0163物 理 学 报55卷。