（凝聚态物理专业论文）六方相gan的mocvd外延生长.pdf

四川大学硕士学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 摘要 g a n基 i i i 族氮化物由 于其在从紫外到可见波段高效光电器件制作中的 成功应用而成为半导体材料研究领域的前沿课题之一。本文利用配有近垂直 入射激光反射在位监测的卧式m o c v d 在c 面蓝宝石衬底上生长六方相的g a n 薄膜，围绕提高本征g a n外延层质量的目 的，开展了具体如下的工作: ( 1 ) 在 m o c v d设备上搭建了一套单波长近垂直入射激光反射在位监测系 统。结合具体的生长过程，对在位监测曲线进行合理的解释。通过对在位监 测曲 线的分析， 确定g a n生长速率以 及外延层的厚度，并利用监测曲 线实时 标定缓冲层的厚度。 对在位监测曲 线进行量化分析， 得到高温生长时g a n折 射率，及g a n生长过程表面粗糙度的变化，与a f m测试的结果比较吻合。 ( 2 ) 以 在位监测为辅助工具， 研究了 蓝宝石衬底氮化的影响。 在大源流量 流下， 研究了g a n缓冲层各生长参数的影响规律， 发现对缓冲层生长影响显 著的条件有生长wi i i 比、 生长温度、 退火时的 氨气流量。 而缓冲层生长压力、 退火压力及退火时间的影响相对较小。在小反应源气流下，发现对缓冲层生 长影响 显著的条 件包括生 长wi i i 比， 生长 压力， 缓冲 层厚度， 退火时 氨气流 量及退火速率。 而g a 源流量， 退火压力及的影响相对较小。以 优化的缓冲层 生长条件得到质量有明 显改善的 g a n外延层， g a n薄膜的( 0 0 0 2 ) 面双晶 d c - x r d。扫描的半高宽为6 a r c m i n o ( 3 ) 研究缓冲 层生长 压力 对缓冲 层生长、 外延层生长及形貌变化的影响。 发现缓冲层的生长压力变化对退火后缓冲层表面的状态影响极大，增大缓冲 层生长时的反应室压力可以明显提高外延g a n的晶体质量和光学质量。 通过 s e m分析， 发现提高缓冲层生长压力时， 高温g a n生长明显经历了从三维生 长到二维生长 的过渡，晶体质量明显提高。 发现高温生长前样品的表面状态 对随后生长的g a n生长机制及最终外延层中的位错密度有很大影响。缓冲层 退火后形成的粗糙的，成核密度低的表面最适于生长高质量的g a n外延层。 对于增大缓冲层生长压力提高g a n外延层晶体质量的可能机理做了 解释。 四川大学硕十学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 ab s tr a ct i i i n it r id e s h a v e b e c o m e o n e o f t h e f o r e f r o n t r e s e a r c h t o p ic s in s e m ic o n d u c t o r m a t e r ia ls f ie ld s d u e t o t h e ir s u c c e s s f u l a p p lic a t io n t o f a b r ic a t i n g o f h ig h ly e f f ic ie n t o p t o e le c t ro n ic d e v ic e s o p e r a t in g in t h e u lt r a v io le t a n d v is ib le s p e c t r a l r e g io n s . i n t h is t h e s is , w e g r o w h e x a g o n a l g a n o n c - p la n e s a p p h ir e s u b s t r a t e s in a h o r iz o n t a l m o c v d r e a c t o r e q u ip p e d w it h a n in s it u n o r m a l in c id e n ce r e fl e c t a n c e m o n it o r in g , a n d t h e f o c u s h a s b e e n t u r n e d t o im p r o v e t h e q u a lity o f u n in t e n t io n a l ly d o p e d g a n e p ila y e r . l is t e d b e lo w a r e t h e ma i n c o n t e n t s o f t h i s t h a s ic . ( 1 ) a s in g le - w a v e le n g t h n o r m a l in c id e n ce r e fl e c t a n ce m o n it o r in g s y s t e m w a s i n s t a l l e d . a re a s o n a b le e x p la n a t i o n h a s b e e n f o u n d t o e x p l a i n t h e r e fl e c t a n c e t r a n s it io n s in t h e m o n it o r in g c u rv e s . b y m e a n s o f q u a n t it a t iv e a n a ly s is , w e a c c e s s e d g r o w t h r a t e a n d f ilm t h ic k n e s s o f g a n e p ila y e r, a n d e v e n d e t e r m in e d in r e a l t im e t h e t h ic k n e s s o f b u f f e r la y e r f ro m in s it u m e a s u r e m e n t s o f n o r m a l in c id e n c e r e fl e c t a n c e . 即 m u lt i- p r o c e s s c u rv e f it t in g o f m o n it o r in g d a t a , w e e x t r a c t e d o p t ic a l c o n s t a n t o f g a n u n d e r g r o w t h t e m p e r a t u r e a n d t h e s u r f a ce e v o lu t io n a ry p r o c e s s d u r in g g a n m o c v d g ro w t h , a n d t h e la tt e r s h o w s g o o d a g r e e m e n t w it h r e s u lt s f r o m a t o m ic f o r c e m ic r o s c o p e o b s e rv a t i o n s . ( 2 ) w it h t h e a id o f in s it u m o n it o ri n g t o o l, w e h a v e in v e s t ig a t e d t h e e f fe c t s o f s u b s t r a t e n it r id a t io n . w e h a v e s t u d ie d t h e i n fl u e n ce o f g r o w t h p a r a m e t e r s o f b u ff e r la y e r u n d e r la r g e fl u x o f r e a c t a n t m a t e r ia ls a n d f o u n d t h a t p a r a m e t e r s s u c h a s wi i i r a t io , g r o w t h t e m p e r a t u r e a n d a m m o n ia fl u x d u r in g a n n e a lin g h a v e e v id e n t i n fl u e n c e s o n t h e g r o w t h o f b u ff e r la y e r, w h ile o t h e r p a r a m e t e r s li k e g r o w t h p r e s s u r e , p r e s s u r e d u r in g a n n e a lin g a n d r a m p in g r a t e s h o w litt le in fl u e n ce. i n e x p e r im e n t s c a r r ie d o u t u n d e r s m a ll r e a c t a n t s o u r c e fl u x , it w a s f o u n d t h a t p a r a m e t e r s s u c h a s v / i i i r a t io , g r o w t h p r e s s u r e , t h ic k n e s s o f b u ff e r la y e r, a m m o n ia fl u x d u r in g a n n e a lin g a n d r a m p i n g r a t e h a v e s t r o n g in fl u e n c e o n t h e g ro w t h o f b u ff e r la y e r, w h ile ! t h e in fl u e n c e o f t m g a fl u x a n d p r e s s u r e d u r in g a n n e a li n g c a n b e o m it t e d . w it h o p t im iz e d b u ff e r la y e r g r o w t h p a r a m e t e r s , g a n e p ila y e r w it h im p r o v e d q u a lity h a s b e e n g ro w n , w h o s e f w h m o f vi l 四川大学硕士学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 ( 0 0 0 2 ) p la n e d c - x r d r o c k in g c u rv e is 6 a r c m in . ( 3 ) t h e e f fe c t s o f g r o w t h p r e s s u r e o f b u f f e r la y e r o n t h e g r o w t h o f b u ff e r la y e r a n d g a n e p it a x y , a n d t h e m o r p h o lo g ic a l e v o lu t io n d u r in g h ig h t e m p e r a t u r e g r o w t h h a v e b e e n in v e s t ig a t e d . i t w a s f o u n d t h a t g r o w t h p r e s s u r e o f b u ff e r la y e r e x e r t s a s t r o n g in fl u e n c e o n t h e s u rf a c e s t a t e o f a n n e a le d b u ff e r la y e r , l a r g e r g ro w t h p r e s s u r e o f b u ff e r la y e r le d t o t h e d r a m a t ic in c r e a s e o f s t r u c t u ra l a n d o p t ic a l q u a l ity o f g a n e p i la y e r, a n d t h e i m p r o v e m e n t in q u a lity w a s a tt r ib u t e d t o t h e t r a n s it io n o f g r o w t h m o d e f r o m 3 d t o q u a s i 2 d , w h ic h w a s r e v e a le d b y s c a n n in g e le c t r o n m ic ro s c o p e . t h e r e e x is t s a s t r o n g c o r r e la t io n b e t w e e n in it ia l s u rf a c e m o r p h o lo g y p r io r t o h t g r o w t h a n d h t g a n g r o w t h m e c h a n is m a n d e v e n t u a l t h r e a d in g d is lo c a t io n d e n s ity in e p ila y e r s . a p o s s ib le d is lo c a t io n r e d u c t io n m e c h a n is m h a s b e e n p r o p o s e d . vi n 四川大学硕士学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四力 ! 大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 四川大学硕士学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 致谢 木论文是以中科院半导体所与四川大学联合培养研究生工作协议 ” 为背景，所有实 验工作是在中科院半导体所光电子中心g a n研究小组完成的， 论文成果归属参照上述联 培协议进行。 首先要感谢导师郑文深教授近三年来在我学习与生活中的悉心指导和亲切关怀，郑 老师开阔的学术视野、严谨的治学态度及踏实勤勉的工作精神使我在学习过程中受益匪 浅。 本论文从选题、实施到论文的完成，无一不是在杨辉研究员的亲切关怀和悉心指导 下完成的， 在此表示由 衷的 感谢。 杨老师渊博的学术知识、 开放而敏锐的研究思想和忘 我的工作精神，给我留下了深刻的印象。 特别要感谢张书明副研究员对我论文工作给予的指导和帮助.在材料生长 及实验设 计上对我的诸多帮助和有益讨论。感谢朱建军副研究员在 m o c v d设备及生长 技术方面 的指导，朱老师丰富的材料生长经验使我受益颇多。感谢王玉田 研究员在x 光测试分析 上的指导及教诲。感谢段俐宏工程师在扫描电镜测试方面给予的大力协助。感谢刘宗顺 副研究员、赵德刚博士提出的诸多建议和指导。感谢刘素英老师、史永生工程师、王海 工程师在材料生长方面不可或缺的配合和帮助。感谢中科院物理所韩宝善研究员在原子 力显微镜测试方面提供的帮助。 本论文的 完成还得益于四川大学部邵轶副教授，董会宁博士生， 庸是.高德友、 冷 文建、 朱小红硕士生， 及半导体所g a n组孙元平博士， 张宝顺、 沈晓明、 冯淦、 金瑞琴、 刘建平、 张纪才、王建峰博士生， 王俊、 伍墨、李娜硕士生在学术上的有益讨论和生活 上的无私帮助，在此表示深深的谢意。 感谢四川大学物理学院院长龚敏、半导体所人事处处长祝素娜、 研究生部陈东军、 王辉老师在联合培养过程中给予的帮助和支持。 衷心感谢我的父母、 妹妹和亲戚多年来在学习生活中在精神上和物质上给予的鼓励、 支持和帮助。感谢未婚妻殷敏女士对我读研的支持以及生活上无微不至的照顾。 由于篇幅有限，不能一一提及，对于所有关怀和帮助过我的老师和同学一并表示深 深的感谢。 陈 俊 2 0 0 3 年5 月于北京 四川大学硕士学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 硕士期间发表论文 1 ) 19 ， 张书明，张宝顺， 朱建军， 冯淦， 段俐宏， 王玉m， 杨辉， 郑文探， “ 缓冲层 生长压力对m o c v d g a n 性能的影响” ，中国科学 e 辑 ( 已 接收) 2 ) j . c h e n , s . m . z h a n g , b . s . z h a n g , j . j . z h u , g . f e n g , l . h . wc . z h e n g , i n f l u e n c e o f g ro w t h p r e s s u r e o f a g a n b u ff e r m o c v d g a n s c ie n c e s in c h in a ( s e r ie s e ) ( a c c e p t e d ) d u a n , la y e r y .工wa n g , h . y a n g , o n t h e p r o p e r t ie s o f 3 ) j . c h e n , s . m . z h a n g , b .s . z h a n g , j .j . z h u , x . m . s h e n , g . f e n g , j . p l iu , y t w a n g , h . y a n g , w .c . z h e n g , i n fl u e n c e s o f r e a c t o r p r e s s u r e o f g a n b u ff e r la y e r s o n m o r p h o lo g ic a l e v o lu t io n o f g a n g r o w n b y m o c v d a c c e p t e d 妙 . c ry s t . g r o w t h 4 ) . 二 h e n j s . m . z h a n g , b . s . z h a n g , j .j . z h u , g . f e n g , x . m . s h e n , y t w a n g , h . y a n g , wc . z h e n g , e ff e c t s o f r e a c t o r p r e s s u r e o n g a n n u cl e a t io n la y e r s a n d s u b s e q u e n t g a n e p ila y e r s g r o w n o n s a p p h ir e s u b s t r a t e , j . c ry s t . g r o w t h 2 5 4 , 3 4 8 ( 2 0 0 3 ) 5 ) 丛 盆， 殷 敏 ， 乌 卜 邵 轶， k m g f 3 : m n 2 1 晶 体自 旋晶 格一 祸 合 系 数 的 理 论 研 究” ， 四 川 大 学学 报( 自 然 科学 版) ， 3 8 ( 6 ) , 8 4 4 ( 2 0 0 1 ) 6 )董 会 宁 司 连 鱼， i fs邵 轶 ， - n 12 + 离 子 在c s c d c i。 晶 体 中 的 占 位 研 究” ，四 川 大 学 学 报 ( 自 然科学版) 3 8 ( 4 ) , 5 9 3 ( 2 0 0 1 ) 7 )张宝 顺， 14 19 ， 沈晓明， 冯淦， 朱建军， 刘素英， 史 永生， 赵德刚， 杨辉， s i( 1 1 1 ) 衬底g a n 材料生长” ，第十二届全国 化合物半导体材料、 微波器件和光电 器件学术会议 论文集， 2 0 0 2 年1 0 月，厦门， p p . 1 0 8 8 ) b .s . z h a n g , m . w u , x . m . s h e n , 么c h e n . j .j . z h u , j . p l iu , g . f e n g , d .g . z h a o , y t w a n g , h . y a n g , i n fl u e n c e o f h ig h t e m p e r a t u r e a in b u f f e r t h ic k n e s s o n t h e p r o p e r t ie s o f g a n g r o w n o n s i( 1 1 1 ) , a c c e p t e d 妙j . c ry s t . g r o w t h 9 ) x . m . s h e n , y t w a n g , x . h . z h e n g , b . s . z h a n g , j . c h e n . g . f e n g , h . y a n g , x - r a y d iff r a c t io n a n a ly s is o f m o c v d g r o w n g a n b u f f e r la y e r s o n g a a s ( 0 0 1 ) s u b s t r a t e s , j . c ry s t . g r o w t h , 2 5 4 , 2 3 ( 2 0 0 3 ) 1 0 ) 张 宝顺， 伍墨， 压崖， 沈晓明， 冯淦， 刘建平， 史 永生， 段俐宏， 朱建军. 杨辉， 梁骏吾， s i( 1 1 1 ) 衬 底无微 裂g a n m o c v d 生长” ， 半导体 学报( e 第 三代半导体材料近年来发展十分迅速，主要包括 z n s e , s i c , g a n及其固溶 体等宽禁带半导体材料。在宽禁带半导体材料中， s ic 和z n s e 在相当长的一 段时间内 一 直是 研究 和开发的 重点【 1 = z n s e 虽然 是最 早实现蓝光l d 的 材料 体系， 但其欧姆 接触差、 键能 小( 1 .2 e v / 键) ， 容易 产生 缺陷， 器件寿命较低， 实 用化前景不容乐 观 2 1 . s ic 蓝色l e d 在g a n 蓝光l e d 商品 化之前是唯一的 商品化蓝光l e d ， 但s ic 材料为间接带隙半导体材料， 发光亮度很低。 而g a n 基材 料是直接带隙 半导 体材料， 发光效率高 3 0 以g a n为代表的i i i 族氮化物材料为直接跃迁半导体材料，包括a i n , g a n和i n n及以 此为 基 础的 三元合金( a ig a n , i n g a n ) 、四 元合金 ( a ii n g a n ) 材料， 其禁带宽度从i n n的1 . 9 e v ， 连续变化到g a n的3 . 4 e v ， 再到a i n的 6 . 2 e v 1 , 2 ， 这 相 应于 覆 盖 光 谱中 整 个 可 见 光 及紫 外 光范围 的 范围 ( 图1 . 1 ) , 实际上还没有一种其它材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙。 用i i i 族氮化物材料可以 制作从红光到紫外光的发光二极管和激光器， 实现红、 绿、 蓝 可 见光 三基 色 发 光。 发 光 二 极管 可 作为 全色 显 示屏 和指 示器、 高效 节能 的 交通信号灯和可调色照明灯; 紫外发光二极管还可以 有许多其它应用， 例如 四川大学硕士学位论文陈俊 六方相g a n的m o c v d 外延生长 幻.0 川“臼 图1 . 3纤锌矿型和闪锌矿型晶体结构堆垛方式 1 . 2 . 2 g a n基材料的制备历史 g a n的研究开始于2 0 世纪三十年代，当时人们制备氮化物，试图系统研 究i i i 一化合物的晶格常数。 j o h n s o n 等在 1 9 3 2 年通过g a 金属和n 比的反 应， 最 早 合成了g a n材 料 1 4 1 . 1 9 3 8 年j u z a 和h a h n 将氨 气 通过 热的 锌 得 到g a n晶 须 1 5 1 4 1 9 5 9 年g r i m m e is s 等用相同的方法获得g a n小晶 粒， 并 测量其p l 谱 1 6 0 真 正 对g a n的 大 量 研 究 是 从 上世 纪6 0年 代开 始的: m a r u s k a 和t i肉e n 在1 9 6 9 年首先用化学 气相沉积( c v d ) 方法在蓝宝石上 成功制备出g a n 的 单晶 外延膜 1 7 ;同 一时期，发 展了 金属有机物化学 气相沉积( m o c v d ) 方 法制备 g a n 1 8 : 而分子束 外延 ( m b e ) 生长g a n 则 始于1 9 8 1 年 1 9 。 随着制 备方法 的不断发展成熟，人们对 g a n性质的了解也逐渐深入。y o s h id a等人首次采 用两步法生长g a n单晶， 其关键技术是采用低温生长a in作为缓冲层， 大大 提高了g a n 外延层的 质量 2 0 1 。 此后， a k a s a k i 和n a k a m u r a等又分别 对两 步 法进行了 仔细的 研究 和完善 2 1 , 2 2 1 。 现在两步法已 基本成为m o c v d方法 生长g a n的标准工艺。 低温缓冲层的作用在于: 解决了异质外延体系中的大 失配问 题。不仅为高温外延生长提供了成核中心，也成为应力释放中心。 p 型掺 杂是另一个长期困 扰g a n 器件应 用的问 题 2 3 - 2 6 o a m a n 。 等无意 中 发现掺m g 半绝缘的g a n 经过电 子束照射后g a n 发光增强。 进一步研究发 现m g 受主被低能电 子束 激活。 n a k a m u r a 等发 现7 0 08 0 0 左右 在氮气中 热 退 火也可以 活化受主m g ， 并阐明了 在原生g a n : m g 中， m g 受主是被h 原 子 所钝化，低能电子束辐照或中温退火可破坏 m g - h络合体，激活受主，实现 四川大学硕十学位论文陈俊 六方相g a n的m o c v d外延生长 高 浓度p 型掺杂。 p 型掺杂 取得突破， 为g a n 器件进一步发展奠定了 坚实的 基础。 1 . 2 . 3 g a n基材料的制备 g a n体单晶制备困难，主要是由于其熔点很高，裂解压强极大。体单晶 有三 种制备 方法: h v p e ( h y d r id e v a p o r p h a s e e p it a x y ) 外延法、 升华 法、 高 压 溶液生长 法( h ig h p r e s s u r e - s o lu t io n g r o w t h ) 。 一 般都要 采用高 温( 1 0 0 01 6 0 0 ) 、高 压( 1 0 - 2 0 k b a r ) ， 反应时间长， 虽然采用矿化剂可以降低生长的 温度 和压强，但所得的结果尺寸都太小。以波兰的高压研究中心为代表的研究小 组室 在这方 面开 展了 较多的 工作 2 7 - 3 7 ) o g a n 体单晶 制备方法， 其苛 刻的技 术条件要求使得它难于短时间内实现规模化生产。 随着g a n材料生长和器件 研究的日 趋成熟，可以认为， 在很长一段时间内，外延生长仍然是制备 g a n 单晶的主要技术。 现在，较常用的生长 g a n材料的方法有:金属有机物化学气相外延 ( m o c v d / m o v p e ) 、 分 子束 外延( m b e ) , 氢 化物气相外延( h v p e ) 等。 1 . 2 . 4 g a n材料的衬底选择 同 质衬底 3 8 - 4 2 : 外延的 理想状况 是， 体材料和外延层材料相同， 这就 是同质外延。采用同质衬底，解理方便，外延层与衬底间不存在晶格失配和 热失配， 使器件性能得到明显的提高， 还可以形成真正意义的垂直结构器件。 g a n体单晶材料可以分为两类， 一是在诸如蓝宝石或者g a a s 异质衬底上 采用速度较快的h v p e 沉积厚的g a n外延层，用抛磨、反应离子刻蚀、激光 分离( lif t o f f ) 等方法去掉衬底后即可得到自 支撑g a n晶片; 第二种方法则是用 第一种方法得到的籽晶进行g a n体单晶的人工生长。尽管也有一些公司，如 美国的丁 d i 4 3 等， 通过第二种方法提供g a n衬底， 但是g a n体材料的生长 很困 难，技术相对还不够成熟，产量也比较小，并且和自 支撑衬底、蓝宝石 或 s ic衬底相比，不仅尺寸较小，而且价格昂贵，得到的体单晶的数量和尺 寸都很有限。 四川大学硕士学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 随着 g a n材料在 l d 、高亮度 l e d , r f 功率器件方面的进一步应用，通 过籽晶生长获得大尺寸、低成本的g a n衬底将有着明显的优势，但是这一目 标的实现估计还得花几年的时间。 材料衬底的选择对于异质外延g a n的晶体质量影响很大，对器件的性能 和可靠性产生重要影响。 缺乏与g a n晶格匹配而且兼容的合适衬底材料是影 响g a n 器件成熟的主要困难之一。 在选择衬 底材料时 通常需要考虑如下因素: ( 1 ) 尽量采用同 一体系的 材料 作为 衬底; ( 2 ) 晶 格失配 度小: ( 3 ) 热膨胀系数相近: ( 4 ) 用于微波器 件时， 最 好选取微波介 质性能良 好的 半绝缘体 衬底; ( 5 ) 用于光电 器 件时， 最好 采用低 阻衬底; ( 6 ) 用于激光器时， 要易于解理以 形成高质量的腔面。 下面介绍一些 g a n生长常用的衬底材料。 蓝宝石衬底:蓝宝石衬底由于其价格便宜、耐热、透明、可大面积获得， 易于清洗处理，高温下稳定性很好， 并具有与g a n 相似的晶体结构，而成为 g a n材料外延中普遍采用的一种衬底材料。 但是作为首选衬底的蓝宝石也有 一些不甚理想的方面: 晶格失配度达1 4 %， 热膨胀系数也与g a n存在较大差 异， 需要 a i n , g a n等缓冲层来保证外延生长的质量; 蓝宝石本身不导电， 不能做电极，解理比较困难。为提高外延层的质量，一些新方法应运而生， 如多 缓冲层技术、 三步 法生长、 插入层技 术等 4 4 - 4 6 0 s iq4 7 - 4 9 : s i c的晶格常数和热膨胀系数更接近i ll 族氮化物材料，与 g a n的晶格失配为4 %，与a i n的晶格失配仅为1 %; s i c 衬底导电，可在顶 部和 底部分 别做p , n 型电 极， 形成真正 意义上的 垂 直电 流器件: s ic 衬 底的 解理性好，易于器件的分割:s ic的热导率很大，有利于制作大电流 l e d及 大注入型激光器。但是s i c 衬底非常昂贵，影响了 其市场应用前景。 硅 5 0 - 5 2 : s i 衬底也 具有价格低廉、 容易 解理、 导电 性好等优点， 而且 能实现光电子器件和微电子器件的集成。而且高温下不容易分解。但是由于 s i 是非极性衬底，生长具有极性的g a n外延层是有困难的。由s i 与g a n晶 格失配和热失配很大引 起的g a n外延层出现的裂纹是目 前急需解决的难题。 g a a s 衬底 5 3 - 5 5 : 可 在g a a s 上生 长立方 相g a n g a a s 衬底价 格便宜、 导电性好、容易解理，而且g a a s 后工艺成熟，易与其它g a a s 基光电子器件 四川大学硕十学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 及微电子器件集成。但是g a a s 在热稳定性不好。 此外还有一些研究小组以 m g a 12 0 4 5 6 , 5 7 , g a p 5 8 , 5 9 , m g o 6 0 , z n o 6 1 等材料为衬底生长六方g a n . 侧向 外 延 ( e l o g ) 也 是 解 决 衬 底 问 题 的 一种途径【 6 2 - 6 5 1 . e l o g 衬底典型的 方 法是 用m o c v d 技 术在c 面 蓝宝石上生长厚1 - 2 w m的g a n ，再 在g a n l淀 积一层s i0 2 , s i c 或s i n非晶薄膜做掩模， 并用标准的光刻工艺制作条形或其 它形状的窗 -1 ， 再进行g a n的二次沉积， 窗口区g a n成为子晶， 在非晶掩模 上不发生外延，当外延g a n足够厚时，窗口区g a n的横向外延将覆盖掩模。 掩 模 上 方g a n 的 位 错 密 度明 显 降 低 ( _ 1 0 4 c n i z ) o 国 际 上 长 寿 命的g a n 基 激 光器就是采用这种衬底制作的。 e l o g技术的缺点是显而易见的: 复杂的多步 工艺和二次生长，可能引入新的杂质;只有掩模上方的位错可以明显降低， 窗口区的位错密度仍然较高，不利于大面积器件的制作。 1 . 3 g a n基光电器件的研究进展 1 9 7 1 年p a n k o v e 报道了第一个g a n发光二极管， 器件结构为m i s结构， 发 光中 心为z n 掺杂 6 6 。 实 现g a n 的p 型掺杂后， a k a s a k i 等 制作出 第一 个 p n同 质结蓝 光l e d 3 a 随 后n a k a m u ，也 报道了 掺m g 的同 质结g a n蓝光 l e d ， 峰值波长为4 3 0 n m ，外量子效率达0 . 1 8 %。 之后n ic h ia 公司在i i i 族氮 化物l e d , l d 领域始 终保持 领先地 位。 1 9 9 3 年，日 亚 ( n ic h ia ) 公司首 先研制 出 发光亮度超过l c d 的i n g a n / a ig a n异质结蓝光l e d ，峰值波长为4 5 0 n m , 输出光功率达1 . 5 m w， 外量子效率达2 . 7 %，并实现产品商业化。1 9 9 4 年蓝 光l e d 的 光 输出 功 率提高到3 .o m w， 发光亮 度达2 c d 6 7 o 1 9 9 5 年， 日 亚 推 出光输出功率为 2 0 m w，亮度为 6 c d的商品化绿光 l e d ,峰值波长为 5 2 5 n m 6 8 a 1 9 9 8 年，德国的o s r a m利用s ic衬底 m o c v d外延技术实现 g a n 基l e d的规模化生产 6 9 1 . g a n l d方 面 7 0 - 7 6 : 1 9 9 5 年n ic h ia ( 日 亚 ) 公司首 先实现室 温下电 注入 g a n 蓝 光l d 脉冲 工 作; 1 9 9 6 年 底 又实 现g a n 蓝 光l d 室 温连 续 波 激 射 ( c w , 尽管寿命很短;1 9 9 7年底 n a k a m u r a等报道了寿命估计达一万小时的 g a n 四川大学硕十学位论文陈俊六方相g a n的m o c v d外延生长 激光器，采用的是e l o g衬底;1 9 9 9年日 亚公司推出商品化的g a n基紫光 l d ， 功率为5 m w, 2 0 0 1 年又将其功率提高到3 0 m w. 2 0 0 3 年4 月， 索尼公 司宣布正式销售公司研制的世界第一款蓝色激光 d v d刻录机，采用波长为 4 0 5 n m的g a n / i n g a n 紫外 激光器 7 7 , 数据存储量高 达2 3 g b o 1 . 4本组 g a n研究现状 我们组【 7 8 于1 9 9 7 年底在国 际上首次实现立方相p - n结g a n蓝光l e d 电 注入发光后，1 9 9 9 年底组里又首次实现了g a n / i n g a n / g a n 双异质结蓝光 二极管，同时实现了g a n / i n g a n : z n / g a n 双异质结绿光二极管， 发光效率较 同质结发光管有大幅度底提高。目 前， 我们小组在这方面处于国际领先地位， 尽管要真正实现实用化还需进一步提高外延层的质量。 六方相g a n方面，本组的张宝顺等采用高温a i n缓冲层及低温a i n插入 层的 技术在s i( 1 1 1 ) 衬 底上实 现无裂纹厚 层h - g a n的生 长 7 9 , 8 0 1 . 最 近采用 高温a i n缓冲层技术控制其成核过程，d c - x r d的。扫描半高宽3 6 0 a r c s e c , 是迄 今为 止g a n / s i( 1 1 1 ) 的 最 优结果。 朱 建军等 在h - g a n / ( 0 0 0 1 ) a i2 0 : 方 面开 展了很多工作， 并得到较好的结果。 但是由于缺乏在位监测工具， 无法对g a n 的具体生长过程及其内在机理进行深入的研究。为了深入了解各种生长因素 对g a n生 长过程 及最终 质量的 影响， 并 最终提高g a n / s a p p h i r e 的 质量， 我 们开展了本论文的工作. 1 . 5本论文的工作和安排 本论文利用低压 m o c v d在蓝宝石衬底上以低温g a n作为缓冲层生长六 方相g a n薄膜。 在m o c v d设备上装配了 一个单波长激光近垂直入射反射的 在位监测系统。以在位监测系统为辅助工具， 并利用x 射线衍射、 扫描电 镜、 光致发光谱、原子力显微镜等分析手段，研究了g a n缓冲层的各个生长参数 的影响规律，并优化了g a n缓冲层的生长条件。 第二章介绍了g a n的m o c v d生长原理及技术， 对目 前关于g a n缓冲层 四川大学硕 卜 学位论文陈俊六方相 g a n的m o c v d外延生长 生长研究方面的进展进行了简单的总结。 第三章介绍了 近垂直入射激光反射在位监测系统的原理， 并对由 在位监测 系统得到的监测曲线进行基本的分析和处理，得到g a n的m o c v d生长 过程 中的一些有用信息， 如生长速率， 薄膜厚度， 高温g a n的光学常数、 以及g a n 外延过程中表面粗糙度的变化等。 第四章以 在位监测为辅助工具， 研究了 在大源流量流下， g a n缓冲层各 生长 参数的影响规律， 包括蓝宝石衬底的氮化、缓冲层生长温度、生长wi i i 比、生长压力、缓冲层退火速率、退火压力、 退火时氨气保护:此外还研究 了在小反应气流下， g a n缓冲层各生长参数的影响规律， 包括缓冲层的厚度、 生长温度、 压力、 氨气流量、 t m g a 流量、 退火速率、 退火时氨气保护、 退火 压力等。 第五章研究了反应室压力对缓冲层生长及随后g a n外延层质量的影响， 并用s e m , a f m对整个g a n的生长过程进行了微观的观察和分析， 提出了 缓 冲层压力对于改善g a n外延层质量的可能机制。 最后是对整个论文进行总结。 参考文献 1 . s . s t r it e , h . m o r k o c , j . v a c . s c i . t e c h n o l. b 1 0 . 1 2 3 7 ( 1 9 9 2 ) 2 . h . m o r k o c , s . s t r it e , g . b . g a o , m . e . l in , b . s v e r d lo v , m . b u r n s , j . a p p l. p h y s . 7 6 . 1 3 6 3 ( 1 9 9 4 ) 3 . s . n a k a m u r a , g . f a s o l, t h e b lu e la s e r d io d e . s p r in g e r v e r la g . 1 9 9 7 4 . g . l a n d w e h r, a . w a a g , f f is c h e r, h .-j . l u g a u e r, k . s c h u ll, p h y s ic a e 3 . 1 5 6 ( 1 9 9 8 ) 5 . a . m ills , i i i - v s r e v ie w . 1 4 ( 1 ) , 3 2 ( 2 0 0 1 ) 6 . j e a n - y v e s d u b o z . c . r . a c a d . s c i . p a ri s . s e r ie s i v , 7 1 ( 2 0 0 0 ) 7 . i . i c h im u r a , m a e d a , k . o s a t o , k . y a m a m o t o , y k a s a m l, j p n . . a p p l . p h y s . p a r t 1 . 3 9 . 9 3 7 ( 2 0 0 0 ) 8 . m .a . k h a n , j . n . k u z n ia , d .t o ls o n , j . m . v a n h a v e , m . b la s in g a m e , l . f r e it