基于图形衬底生长的GaN位错机制分析
4_英寸GaN_衬底MOCVD_外延高质量AlGaN
4英寸GaN衬底MOCVD外延高质量AlGaN/GaN HEMT材料研究分析高 楠 房玉龙* 王 波 张志荣 尹甲运 芦伟立 陈宏泰 牛晨亮（河北半导体所）摘 要：本文对金属有机物化学气相淀积法在4英寸GaN衬底上生长出的高质量AlGaN/GaN HEMT外延材料进行了研究分析。
生长过程采用NH3/H2混合气体及H2交替通入的方法对衬底表面进行了预处理，阻隔了界面杂质的扩散。
得益于衬底与外延的高度晶格匹配，GaN材料的螺位错密度降低到1.4×107cm-2，刃位错密度降低到3.0×106cm-2；非接触霍尔测试仪结果显示二维电子气迁移率为2159 cm2/V·s ，说明制备的材料晶体质量高且电学性能优异。
此外，由于衬底与外延之间不存在热失配，使用拉曼光谱仪发现同质外延的GaN E2（TO）峰位与衬底的E2（TO）峰位完全重合，表明同质外延过程中无应力应变产生。
关键词：GaN衬底，AlGaN/GaN HEMTStud y of High-quality AlGaN/GaN HEMT Homo-epitaxial Material on4-inch GaN Substrate by MOCVDGAO Nan FANG Yu-long* WANG Bo ZHANG Zhi-rong YIN Jia-yun LU Wei-liCHEN Hong-tai NIU Chen-liang（Hebei Semiconductor Research Institute）Abstract:High-quality AlGaN/GaN HEMT homo-epitaxial material grown on 4-inch GaN homo-substrate by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) was studied in this paper. An alternation gas model of ammonia/ hydrogen (NH3/H2) mixed gas and H2 gas was employed to thermal treatment of GaN homo-substrate to prevent the spread of impurities. Due to the match of lattices, the density of screw dislocation was as low as 1.4×107cm-2 and the density of edge dislocation reached 3.0×106cm-2. The contactless Hall test results showed that the AlGaN/GaN HEMT material had a two-dimensional electron gas (2DEG) mobility of 2159 cm2/V•s, indicating that the homo-epitaxial AlGaN/GaN HEMT material has high quality and good electrical performance. In addition, thanks to the absent thermal mismatch during the growth, the Raman spectrum test manifested that the peak positions of E2-high for GaN homo-substrate and the epitaxial material were totally coincident, showing that there was no strain in the homo-epitaxial growth.Keywords: GaN substrate, AlGaN/GaN HEMT作者简介：高楠，硕士，工程师，主要研究方向为宽禁带半导体材料生长及相关技术。
gan异质结晶格失配_概述说明
gan异质结晶格失配概述说明1. 引言1.1 概述本文旨在对gan异质结晶格失配进行概述与说明。
GaN材料作为一种重要的宽禁带能隙半导体材料，在光电子器件、光通信和高功率电子器件等领域具有广泛的应用前景。
然而，正如其他异质结构材料一样，GaN异质结晶格之间存在着失配问题。
当两个晶格参数不完全匹配时，其中一个晶格在界面处会发生畸变，从而导致材料性能的改变和缺陷的形成。
因此，理解和研究GaN异质结晶格失配现象的特点和机制对于优化材料性能至关重要。
1.2 文章结构本文分为五个主要章节。
首先在引言部分进行了整体概述和背景介绍。
接下来，在章节1中讨论了GaN异质结晶格失配问题的具体要点，包括相关定义、失配度量以及对材料性能影响的机制。
随后，在章节2中进一步深入探讨了解析模型和数值模拟方法在研究GaN异质结晶格失配方面的应用。
在第三章中，针对失配问题引起的晶格缺陷及其对材料性能影响进行了深入研究。
最后，在结论部分总结了本文的主要内容，并提供了进一步研究和应用该领域的展望。
1.3 目的本文的目的是系统地概述和说明gan异质结晶格失配问题。
通过全面介绍相关概念、测量方法和模拟技术等方面的内容，希望读者能够全面了解gan异质结晶格失配现象及其对材料性能的影响。
同时，本文还旨在为相关领域的研究者提供参考和启发，促进该领域未来更深入、更广泛的研究与应用。
2. 章节1:2.1 要点1:GaN异质结晶格失配是指在GaN材料的生长过程中，由于衬底材料和外延层材料的晶格常数不匹配而引起的应变。
晶格失配是一种普遍存在于异质结构中的现象，它会对材料的物理性能产生重要影响。
在GaN异质结构中，当衬底材料和外延层材料的晶格常数之间存在差异时，就会导致晶格失配。
这种失配会导致应变在两个材料界面附近集中，并且以不同形式表现出来。
通常情况下，其中一种形式是较大的相对位移或错位，在界面处形成了构筑限制，并引起了缺陷。
2.2 要点2:GaN异质结晶格失配可以通过多种方法进行研究和评估。
Si衬底MOCVD生长GaN／InGaN多量子阱缺陷TEM研究
中 图分 类号 ：Ｔ ０ Ｎ３ ４
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：０ ５ — １ ７ ２ ０ ）３ ０ ３ — ５ ２ ３ ４ ７ （ ０ ８ ０ —５ ９ ０
１ 引 言
２ 实验
采用 Ｔ ｏ ｓＳ ｎＣ ｈ ｍａ ｗａ ＣＳ低 压 ＭｏＣ ＶＤ 系统 在 Ｓ ｉ 过异 质外 延获 得 ， 蓝宝 石是 目前异 质 外延 最 常 用 的衬 底 衬底 上 生长 Ｇａ 基 ＭＱｗ ． 甲基 铝 （ ＭＡ１ 三 甲基 Ｎ 三 Ｔ ）、 材料 ， 但蓝 宝 石 衬 底 成 本 高 、 热 性 差 、 工 工 艺 难 度 散 加 大 ， 们 一直希 望 能 以硅 片代 替 蓝 宝 石衬 底 外 延 Ｇａ 镓 （ ＭＧａ 三 甲基 铟 （ ＭＩ ）和 氨 气 （ 人 Ｎ， Ｔ ）、 Ｔ ｎ ＮＨ３ ）分别 用 硅衬底 不仅 导热 性 好 、 本 低 ， 成 而且 加 工 工艺 成 熟 、 解 作 Ａ１ 、 易 源 Ｇａ源 、ｎ源 和 Ｎ 源 ，硅 烷 （ ｉ ）和 二茂 镁 Ｉ ＳＨ 理 、 得 到大 面积 高质量 商 业化 衬底 以及 硅 基器 件 易 于 （ Ｐ Ｍｇ 易 Ｃ ｚ ）分 别用 作 ｎ型 和 Ｐ型 掺 杂 剂 ． 底 进 入 反 应 衬 集成 等优 点 ， 科 学工作 者 一 直没 有 放弃 对 硅衬 底 氮 化 室后 在 Ｈ 氛 中 于高 温 下进 行 处 理 ， 使 气 以去 除 硅 衬底 表 然 ０ ｏ 右 ， 长 厚 约 １ ０ ｍ Ｃ左 生 ２ｎ 物生 长 的研 究 ． Ｎ 由于与 ｓ 衬 底 之 问存 在 较 大 的 晶 面 氧 化 物 ． 后 温 度 降 至 ８ ０ Ｇａ ｉ 格 失配 （７ ） １ ％ 和热膨 胀 系数 的差 异 （ ６ ， 难 生 长 出 的 Ａ１ 缓 冲层 ， 着 把 温度 升 至 １ ５ ℃ 生长 ２ ０ ｍ 的 ５ ％） 很 Ｎ 接 ００ ０ｎ 高质量 的 Ｇａ 外延 层 ． Ｇａ Ｎ 而 Ｎ外 延 层 的生 长直 接 影 响 Ｇａ 高 温缓 冲层 ， 生 长 ０ ４ ｍ 厚未 故意 掺杂 的 Ｇａ Ｎ 再 ． Ｎ Ｇａ Ｉ Ｇａ 量 子 阱 的质 量 ， 响其 发 光 性 能 ． 究 发 层 ， 着生 长 ２ ｍ 厚 掺 Ｓ 的 ｎ型 Ｇａ 接 下来 在 ７ ０ Ｎ／ ｎ Ｎ 影 研 接 ｉ Ｎ， ４ ℃ 现， 当外 延层 的厚度 达到 ０ ３ ｍ 以上 时 ， 外 延 温度 冷 生 长 ５个周 期 的 Ｇａ Ｉ Ｇａ 多 量 子 阱有 源层 ， ． 从 Ｎ／ｎ Ｎ 以及 在 却 到室 温 时样 品就会 出现开 裂 ． 厚度 越 厚 ， 裂 越严 重 ， ９ ０ 生 长 ２ ０ ｍ 的 Ｐ型 Ｇａ ４． 微 ９℃ ０ｎ ｒ ｊ Ｎ＿ 无法 做 到器件 所 要 求 的 ３ ｍ 而 不 开 裂 ， 是 制 约 硅 基 这 实验观 察所 用 Ｔ Ｍ 横 断 面 试 样 是 将 样 品 膜 面 用 Ｅ 材料 与器 件 发展 的瓶 颈之 一 ． 控制 多 量 子 阱 的缺 陷 是保 Ｇａａ ｔｎ胶对 粘 ， 线切 割 至 ３ ｍｍ ×ｌ ｍｍ， 纸 打 磨抛 光 厚 砂 证 Ｌ Ｄ 发 光 性 能 和 寿命 的关 键 ， 何 提 高 量 子 阱 的 生 度 至 ６ ｔ 左 右 ， 凹 坑 仪 上 将 其 ｄｐ ｌ ， 光 至 Ｅ 如 ０ｍ ￣ 在 ｉｐｅ 抛 长质 量是 材料 研究 工作 者 追求 的 目标 ． ２ ｔ 离 子 减 薄 仪 Ａｒ离 子 ３ ５ ｅ 能 量 对 其 轰 击 至 ０ ｍ， ￣ ． ｋＶ 透射 电子 显 微 镜 （ Ｅ 具 有 高 分 辨 率 、 接 成 像 １ ｎ 以下 ．Ｅ Ｔ Ｍ） 直 ０ｍ Ｊ ＯＬ一２ １ ０ ０透 射 电子显 微 镜 ２ ０ ｅ 工 作 ０ ｋＶ 特点 ， 是用来 研 究 材 料 微 结 构 及 其 缺 陷 的重 要 工具 ． 当 电压 对试 样 观察 ， 获得 普通 的衍 射 衬度 明暗 场像 以及 可 晶体原 子排 列 出现无 序 或转 为其 他 有 序结 构 时 ， 射 电 高分 辨透 射 电子显 微 像 ． 样 表 面用 饱 和 ＫＯＨ 溶 液 腐 透 试 子 显微 镜利 用 电 子衍 射 和衬 度 成 像 原 理 在 不 同 条 件 下 蚀 ５ ｎ 去 离子 水 冲洗 、 干 ， 发 射 扫 描 电子 显 微 镜 ｍｉ ， 烘 场 成 像 ， 以研 究 晶体 生 长过 程 缺 陷 （ 错 、 错 、 一缺 可观 察其 ｓ 可 位 层 ｖ ＥＭ 成像 ． 陷 、 转畴 ） 反 的形 成 、 分布 及 其 特 性 ． 文 对 ｓ 衬 底 Ａ１ 本 ｉ Ｎ ３ 结 果 与 分 析 低 温缓 冲层 生长 的 Ｇａ Ｉ Ｇａ 量 子 阱 进 行 了横 断 面 Ｎ／ｎ Ｎ Ｔ Ｍ 成 像研 究 ， Ｅ 在衬 底 和 缓 冲 层 区域 进 行 了 高分 辨 电 图 １ 电子沿［ １０ 晶带 轴入 射 ， 射矢量 ｇ １０ 是 １Ｏ ］ 衍 ＝１２
Si基外延GaN中位错的分布
采用1000W卤钨灯作为光源,对GaN外延膜在KOH溶液中进行化学腐蚀,以显示晶体位错.采用扫描电子显微镜、原子力显微镜观察位错密度及表面形貌 ,得到了清晰的腐蚀图形.提出了腐蚀机理,光照激发位错处产生电子-空穴对,加速位错处的腐蚀速率.GaN表面出现了大量的六角腐蚀坑(位错露头).优化 了KOH溶液的腐蚀条件.
陶瓷、晶体
冲层延伸到外延层中的位错外，还有裂纹蘼生的俺错，值错密度比其他区域高。冈而腐蚀后裂纹附 近蚀坑密度较高。
嗣５ ＣａＮ中的亚晶粒
图６裂纹附近的扫描电镜照片
从位错的分布可以推出ｃａＮ的生长过程为： 生长的初期，ｃａＮ在衬底上沉积成核，并不断吸附长大形成ＧａＮ小岛。㈥为衬底硅。ｊ ＧａＮ薄 膜的品格参数不同，岛间将存在不匹配的传移，当岛长大到相与：结合时，就会在岛间产牛位错。岛 之州也可能彼此存在相对转向，岛合并后在岛的周周形成位错网。随着该过程的继续，生长初期形 成的大量ＣａＮ逐渐合并消失。到最后阶段，分离的ＧａＮ小岛全部消失，形成一层连续的ＧａＮ薄膜。 新出现的这层连续ＧａＮ薄膜中包含许多小的形状各异的空｛ｆ司，这些夺洞会释放外延层中的应力。 薄膜外延的下一·个阶段是对空洞进行填充，生长成一个平整的表面。生长为平面后，内部应力无法 释放．不断增大以致产生裂纹。裂纹是应力集巾释放区，在其附近有许多应力诱生的位错。
３结果与讨论
衬底ｓｉ‘ｊ外延层间存在很大的失配，外延生 长过程中诱生大量的位错，密度高达１０８ｃｍ～。位 错处存在晶格畸变，化学稳定性差，原子间结合力 弱。在ＫＯＨ溶液中腐蚀，微电池在主耋些地方作用 比较强烈，优先受到腐蚀，形成对应的腐蚀坑，如 图２所示。腐蚀是具有各向异性的，蚀坑为倒置的
gan位错密度与厚度关系
gan位错密度与厚度关系
在氮化镓（Gallium Nitride，GaN）薄膜中，位错密度与厚度之间的关系是一个复杂的问题，它受到多种因素的影响。
GaN薄膜通常用于半导体器件，而其中的位错密度对器件性能有重要影响。
以下是一些可能影响GaN位错密度与厚度关系的因素：
1．生长技术:使用不同的生长技术（例如金属有机化学气相沉积，MOCVD或分子束外延，MBE等）可能导致不同的位错密度与厚度关系。
生长技术的选择会影响晶格匹配和缺陷生成的概率。
2．衬底质量:基础衬底的质量对GaN薄膜的生长有重要影响。
优质的衬底有助于减少位错的产生。
3．温度和生长速率:生长温度和速率也是影响位错密度的因素。
高生长温度和较高的生长速率可能增加位错密度。
4．晶格不匹配:如果衬底和GaN之间存在较大的晶格不匹配，可能导致位错的形成。
精心选择衬底和调整生长条件可以减少这种不匹配。
5．后处理技术:采用一些后处理技术，例如热处理或其他退火工艺，可能有助于减少位错密度。
总体而言，GaN位错密度与厚度之间的关系是一个复杂的问题，需要在具体的实验条件下进行研究。
蓝宝石衬底、LED衬底“四剑客”布局如哪般!
蓝宝石衬底、LED衬底“四剑客”布局如哪般！来源微信公众号：蓝宝石材料蓝宝石材料资讯公众号，每天晚上10点左右推送，都是精华内容哦。
目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石（Al2O3）、SiC和Si，Cree公司用SiC为衬底，东芝公司宣布8″的硅衬底生长LED将于2013年产业化，其余的大部分以蓝宝石为主。
全球生产蓝宝石衬底有130多家，其中有80多家是近两年加入的。
2012年的需求量约9600万片（以2″计算），其中蓝宝石图形化衬底（PSS）占70%~80%，目前仍以2″和4″衬底片为主，由于同样面积的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以预测几年后将以6″为主。
由于生产能力过大，供大于求，致使蓝宝石晶片价格大幅度下降，大约为每片7~8美元。
在蓝宝石晶体生长上大部分采用A轴向生长，取出C轴向的晶片，材料利用率过低，2″为35%左右，6″约为20%。
据有资料显示：采用CHES法直接按C轴向生长，材料利用率可达75%，而且减少了张力和应力，从而降低了衬底晶片的弯曲度和翘曲度，因此，极大提高了蓝宝石衬底的生产效率、晶片质量及降低成本。
近几年全球正在研究很多LED的新衬底，取得了很大成果。
中国生产蓝宝石衬底的企业约50家，其中已投产约30家左右，生产能力已达1亿片/年（以2″计算），超过全球的需求量。
而且由于蓝宝石企业直接生产PSS衬底的不多，企业的竞争力较差，企业走向转型、整合、兼并是必然的。
另外，还有山东华光采用SiC衬底生长LED，南昌晶能采用6″的Si衬底生长LED，均取得较好成果。
蓝宝石衬底（1）图形衬底衬底是支撑外延薄膜的基底，由于缺乏同质衬底，GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。
发展至今，蓝宝石已经成为性价比最高的衬底，使用最为广泛。
由于GaN的折射率比蓝宝石高，为了减少从LED出射的光在衬底界面的全发射，目前正装芯片一般都在图形衬底上进行材料外延以提高光的散射。
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]。
图形化SOI衬底上侧向外延生长GaN研究
Байду номын сангаас
采 用 ＭＯ ＶＤ 工艺 进 行外 延 生长 ， 别采 用 三 甲 Ｃ 分 基镓（ ＴＭＧａ 、 甲基 铝 （ ＭＡ１作 为 Ｇａ和 Ａ１ 源 ）三 Ｔ ） 的 物质 ， 氨气 （ ＮＨ。 作 为氮 的源 物 质 ， ） 氢气 （ ） 载气 ， Ｈ。 作 使 用卧 式水 平 反应 炉 。首 先 在 衬 底 表 面 生 长 约 ４ ０ ０ｓ （ 度约 ４ ｎ ） 厚 Ｏ ｔ 的高 温 Ａｌ ｏ Ｎ插 入层 ， 生长 温度 １ ９ ℃。 ００ 然后 在 Ａｌ 缓 冲层 上 外 延 生 长 Ｇａ 外 延 层 ， 长 温 Ｎ Ｎ 生 度 １７℃， ０ ０ 生长 时问 ４ ０ ， ５ ｓ 主要是 进 行 Ｇ Ｎ 的 纵 向生 ａ 长 。接着 保持 反 应 室 压 力 不 变 ， 高 温 度 到 １ １ ℃ ， 升 １０
寿命超 过 ｌ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ｈ的蓝色 激光 二极管 ， 在世 界上 引起 了 巨大 的轰动口 。利 用体 硅 材料 进 行 Ｇａ 侧 向 外延 的 Ｎ
研 究工 作很 多人 已经做 了大 量 的研 究 工作 ￣－３ 然 而 ， １２ ， ９２ Ｓ 衬 底上 侧 向外 延 生 长 Ｇａ 材 料 鲜 有 报 道 。相 比 ＯＩ Ｎ
１ 引 言
以 Ｇａ 为代表 的宽禁 带 直接带 隙半导 体 材料 ， Ｎ 在 光 电子器件 领域 有 着 广 泛 的应 用 前 景 ， 国 内外 备受 是 重视 的新 型 半 导 体 材 料口 。 由于 难 以获 得 Ｇａ 体 删 Ｎ
材 料 ， Ｎ 基 的 材料 只 能异 质 外 延 在 其 它 衬底 上 ， Ｇａ 比 如蓝宝 石 、 ｉ ＳＣ和 ｓ 等 。近年来 ， ｉ ｉ Ｓ 材料 优 良的物 理性 能 、 质 量 、 成 本 ， 得 在 Ｓ 衬 底 上 生 长 Ｇａ 材 料 高 低 使 ｉ Ｎ 受 到越来 越 多的关 注［ １ 。但 由于 Ｓ 与 Ｇ Ｎ 之 间存 在 ｉ ａ
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・材料・基于图形衬底生长的G a N位错机制分析3江 洋33,罗 毅,薛小琳,汪 莱,李洪涛,席光义,赵 维,韩彦军(清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室,北京100084)摘要:采用缺陷选择性腐蚀法结合光学显微镜及原子力显微镜(AFM)对金属有机化合物气相外延(MOVPE)在蓝宝石图形衬底(PSS)上生长的非掺杂G aN体材料的位错产生机制进行了研究,分析结果表明,位错来源于三个方面:一是“二步法”生长机制引入的位错;二是是由于图形衬底上不同区域G aN晶体相互连接时由于晶面不连续所造成的位错群;三是由于图形衬底制作工艺过程中引入的表面污染与损伤。
关键词:G aN;金属有机气相外延;图形衬底;位错;缺陷选择性腐蚀中图分类号:TN303;TN304 文献标识码:A 文章编号:100520086(2008)0420478204Dislocation generation m ech anism analysis of G a N grow n on p atterned s apphire sub2strateJ IANG Y ang33,LUO Y i,XUE X iao2lin,W ANG Lai,LI Hong2tao,XI G uang2yi,ZHAO Wei,HAN Y an2jun(State K ey Lab on Integrated Optoelectronics,Department of E lectronic Engineering,T singhua University,Beijing100084,China)Abstract:The growth proccess of undoped G aN on patterned sapphire substrate(PSS)was achieved by metal organic vaporphase deposition(MOVPE).And the defect2selective etching method combined with optical microscope and atom ic force mi2croscope(AFM)was carried out to study the mechanism of dislocation generation of G aN on PSS.The results indicate thatthe dislocation is probably generated from three aspects:“two2step”growth process,the coalsence of G aN crystal from sepa2rate areas of PSS,and the substrate surface damage and contamination during PSS facturing.K ey w ords:G aN;MOCVD;patterned sapphire substrate;dislocation;defect2selective etching1 引 言 作为第三代半导体材料的代表,氮化镓材料具有禁带宽度大、耐高温等诸多优异性能。
因此,G aN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、白光照明以及医疗和军事等领域都具有广阔应用[1～3]。
其中最引人注目的是利用G aN基发光二极管(L ED)加上荧光粉合成白光实现白光照明[4]。
然而,蓝宝石衬底和G aN材料的晶格常数存在较大的失配(16%),导致蓝宝石衬底上生长G aN晶体具有很高的位错密度(109～1012cm22),造成载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响,使得器件内量子效率下降[4];另一方面由于G aN材料折射率高于蓝宝石衬底以及外部封装树脂,有源区产生的光子有70%在G aN 层上下两个界面处发生多次全反射,降低了器件的光提取效率,同时光多次反射被表面电极和材料有源区吸收产生大量热量,也会影响器件工作的稳定性。
图形衬底技术[5]通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形,改变了G aN的生长过程,能有效地抑制材料中位错的向上延伸,提高器件内量子效率;同时由于粗糙化的G aN/蓝宝石界面散射了光线,使得原本全反射的光子有几率出射到器件外部,能有效提高光提取效率。
由于图形衬底相比普通衬底其表面形貌发生了变化,所以在图形衬底上的G aN初期的生长过程也随之发生改变,则图形衬底上的G aN生长方法也需要作出相应改变来优化晶体生长,否则G aN的晶体质量非但不提高,反而有可能恶化,从而影响器件的工作特性[6],这与图形衬底中位错的产生机制有关。
为此,我们需要研究图形衬底生长G aN中位错的产生机制来指导图形衬底上G aN的生长,以避免这些位错的产生或抑制其发展。
研究G aN晶体中位错的方法通常有X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、阴极射线荧光(C L)、缺陷选择性腐蚀等方法。
其中缺陷选择性腐蚀法[7]能观察到位错的分布,且具有设备简单,成本低廉等优点。
目前较常用的腐蚀法有三类:一是基于硫酸磷酸的高温强酸腐蚀;二是基于氢氧光电子・激光第19卷第4期 2008年4月 Journal of Optoelectronics・Laser Vol.19No.4 Apr.2008 3 收稿日期:2007204210 修订日期:2007206213 3 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60223001,60244001,60290084);国家“973”基础科学研究资助项目(G200020326601);国家“863”计划资助项目(2001AA313130,2004AA31G060);北京市科委资助项目(D0404003040321) 33E2m ail:jiangyang03@化钾(K OH )或氢氧化钠的熔融状态腐蚀剂腐蚀;三是光辅助的氢氧化钾水溶液腐蚀。
本论文中采用熔融K OH 腐蚀剂对图形衬底上生长G aN 样品进行了腐蚀和分析,以此来研究图形衬底上G aN 位错产生的机制。
2 实 验 实验中采用的衬底图形是二维直角排列的正方形图形,边长为3μm ,相互间距也是3μm ,衬底制作由H 3PO 4∶H 2SO 4高温下湿法腐蚀获得,衬底图形的侧壁与底面成倾斜角度,经过一定的表面处理后放入AXITRON 220002HT MOVPE 设备中进行外延生长。
生长所用Ⅲ族和Ⅴ族源分别是三甲基镓(TM 2G a )和氨气(HN 3),采用氢气(H 2)作为载气。
采用传统的“二步法”生长方式,在1100℃下高温解吸附和520℃下表面氮化之后,首先生长约25～30nm 厚的低温缓冲层,然后升温至1050℃生长约2μm 厚的G aN 体材料。
之后将PSS 2G aN 上切下边长约5mm 的切片,经有机清洗后放入300℃熔融K OH 中腐蚀5min 后取出。
腐蚀后的样品先用稀盐酸处理,再用去离子水反复水浴超声清洗,并用氮气吹干。
样品在腐蚀前采用ω22θXRD 扫描方式测量了其(002)和(105)晶面摇摆曲线,得到曲线半高全宽值分别是425arcsec 和326arcsec 。
通过Hall 方法评价了材料电学特性,得到其背景载流子浓度和迁移率分别是1.8×1017cm 23和1.27cm 2/Vs 。
腐蚀前后样品利用OL YMPUS 光学显微镜和PSIA XE 2100型原子力显微镜进行观察了晶体表面形貌。
最后将样品解开用场发射扫描电子显微镜(FEG 2SEM ,J SM 26301F )观察其断面形貌。
3 结果与分析3.1 光学显微镜和扫描电子显微镜分析 经过腐蚀后的样品首先用在光学显微镜下观察,可以看到直径约在1μm 左右的腐蚀坑,如图1所示。
在图中同时还可以观察到衬底图形的轮廓,仔细观察可以发现,几乎所有的腐蚀坑都出现在衬底图形边界处的G aN 表面,说明这部分腐蚀坑表征的位错应该和衬底图形有关。
图1 经腐蚀后图形衬底上G aN 的光学显微镜照片Fig.1 Optical microscop e im age o f etch edsu rface o f G aN grow n on PSS 为此,我们分析了衬底图形对G aN 生长过程的影响。
由于衬底图形将衬底分隔成了若干了小块,生长过程中原子的表面迁移在图形边界处被打断,所以G aN 在分隔出的“台阶”上和“沟道”中独立生长,这种生长不仅有纵向分量,也有横向生长分量,而且独立生长的每一个区域中的G aN 晶体都产生了侧面晶面,如图2(a )所示。
根据Hiramatsu K 等人[8]对横向外延技术(ELO G )中类似情况的研究发现,在不同的生长条件下,纵向生长与横向生长所占的比重不同,且侧面晶面的晶面指数也会随之发生变化。
在纵向生长条件下,侧面晶面为一倾斜晶面,反之在横向生长条件下,侧面晶面渐渐变得竖直。
在极端的横向生长条件下,台阶上GaN 横向生长十分猛烈,会在“沟道”中GaN 生长上来之前就相互连接,形成连通的空气桥,如图2(b )所示,这就是悬臂梁横向外延[9](Cantilever epitaxy )。
而在一般的生长条件下,“沟道”中的GaN 将会向上生长高出台阶表面,其倾斜侧面与“台阶”上横向延伸的GaN 晶体侧面相连接,形成三角形空气孔,如图2(c )所示。
图3是样品的断面SEM 照片,从照片上可以看到明显的三角形空气隙,说明图形衬底上GaN 生长条件偏向纵向生长条件,横向生长缓慢,连接发生在“沟道”中生长上来的GaN 晶体与“台阶”上微弱横向延伸过来的GaN 晶体之间,晶体相连接点位置在衬底图形边界上方,这与图1光学显微镜照片中结果相吻合。
由此可以推测晶体在此位置相互连接的过程中,由于晶面不连续滋生大量位错,并形成位错群[10]。
这些位错群延伸到材料表面在KO H 选择性作用下被腐蚀且相互连接,并最终形成光学显微镜下可观测到的大尺寸腐蚀坑,由于位错是沿生长方向向上延伸,所以这些大腐蚀坑的位置几乎全部处于图形边界处。
3.2 原子力显微镜表面分析 腐蚀前后的样品还采用AFM 在非接触模式下分别进行了25μm ×25μm 和5μm ×5μm 的不同范围扫描,如图4所示。
图4(a )、(b )是腐蚀前的AFM 照片。
其中在5μm ×5μm的扫描范围内,可以观察到明显的表面原子台阶结构,且在台阶终端可以观察到一些小黑点,这些小黑点可能是具有螺旋分量的穿透位错在晶体表面的露头。
对比腐蚀前后图片可以看到,表面原子台阶在腐蚀作用下逐渐形成了统一的几个方向,说明K OH 是对于G aN 是一种各向异性的腐蚀。