（材料物理与化学专业论文）纤锌矿ngan的补偿度及迁移率模型.pdf

八为s l r a ct ab s t r ac t t 七 e roomt e m p e r a t u rccarrierh a lim obili tyof认 叼 到 z ite n 一 g an asa 加 。 c t l o nof 。 班 r l er 印n ce n t r a t io nfo rd i 月 七 re o tc o in pe nsa t l o n皿1 0 ，given b yc b in ct ai. 山 即比 t 1 ca u yus 吨th ev 州a l i o n al m e t h od，is 幽 出yu s e d to eval u ate th e c o m pen s at i o nratfo . h o w e v cr， the com ped sa t 1 o nra t i0b as ed on c b 1 n ，st b eory， 即 m d 面es d l v l ate much fr o mv a 】 u eth r o u gh th e 0 re t i cal 1 yfittin gof t e in pera i u r e d e p 二 d e n t h 甜 。 份 烈m 创 玛 u r e m e n 拓 . e v e n m o r e ， the 丘 即r e of m o b i l it y d e 声n d i n g onca r r i erc o n “ n t r a t ion an d co m pe nsat l onr a t i o 目 v e 。 妙 c 为 inetaidi dn，t give the 加 m ul arofcom p e n sa t ion ratio . to so l v e面sp ro b l e m ， 幻 刀 。印m 哪 n sa t i o dr a t 1 0 c 目 口l ationm ode lsb 公 把 d on c h l n 、山 加呼阳d c 田 rr l erscat t e ring t b eor y “ 5 声 以 i v e l y are gi 彻 inth l s work. t 五 e mob l 】 1 1 y o aj 伪l ation m ode l 叨dthe c o 功 讲n ， 如n ra t io 口i c u l a t l o n m ode l bothfor 7 7 k供 旧 rtzi t e n 一 g 创 n恤 p l esare al sogivenint hi s w o r k b as ed on c 为 i n ，s th eory e 沁 s i d e s ， the m o b i l i t yof肠 叮 n z ite n- g 司 呀asa加 n ct i o nof 口 ” n e r c o 。 沈。 妞 . t i o nfor d i 月 沁 r e n t d is l 以 泊 i i o n s ， 阳dt b el a t t l ce 面s m a 沈 bbetw既nthe g 瓦 n 叩1 切 区 y and s ubs t r a t e arc 阳al y sed t 七 e re su lts比 ow t h at 1 . t 七 e ca 1 cul ati加ofco. pen s ationr a t 10 atroomt e m p e r a i u r e for wu川 2 1 协企 g 司 呵 胭力 p l ess b o u l d be di ffcre nt加ms t ri c t l y u 创 山 te n t 1 0 n al l y d o ped g an and s i 砌侧 刃 g 司 阿 .f b rthe s t ri c l l yu 如 山 i e nt i o nal l yd o pe dg a n ，an anai yt l 司 m 冈e lfor 伪m pens a t i o n 瓜foat几 旧 mt empe口 t u r e givenb y t h 肠 w o r k，a 孚 e esw e l l withc hi 刀 ，s 山 印 口加 wi deconcentration ( 101气 1 尸cm勺恤g e s . a co m p 田 肚 泊 n be tw e enth e se m ode 】 5 ， v aiue a d dthe 石 tt i n g v a l u c 6 ” mexper 妞 刀 即. l r e s u l tss b 。 时 th at阮 。 c w 阴 目 尹 j 因 m odc l s a l soh ave a g 以 川. 邵 e emcnt in阮 e l 。 比 ro n co d ce n tr a t i onrangcs of 10 l-1 沪an刁and 3 x 10 l-10 1 s cm刁for s tri c l lyu d in te n t io n 目 l y d o p edg 司 man d 5 1 -d 0 侧 沮o an， re s pe 以 iv e l y it 、此 即加 t 叨之 1 加目 l yd o p a n t ss u c has s i l i co nan d oxy gc n th ats b o u l d beta k c n for l n c 了 e a 吨 d o n o r co n ce o t r a t i o n asw euasd 。 二 e as 吨 伪 m 琳 璐 ati onratio underh i沙t e m pe r a tu rep r a p a r a ti o n . 2 . 飞 七 。 印m 沐朋a t i o nra t l oc 目 cul at i o nm odelfor 7 7 k喇 ” 到 z i ten-g an s a id p les a 孚 侧 活w cllw i ththe vaiued 。 叻 d c d 五 。 mth e o r e t i c a 】l y 石 t t i n g ofte m pera tu r e d e pcd d ent h a l l e 月 七 ct m easurem 切 ts and that ofc h i n 、 山 叩 叮inw ideco nccn tr a l io 。 ( 101 一 101， 二勺. 口 9 璐 ， no m a t le r w b a t e thc : 翻p les are stri叨 y u n id t en ti o 刀 a ll yd o 侧 刃。 5 1 刁 。 拼 沮g 司 n ， it 耐主 份 t “由 a t s 山 coo isa hi ghe ff ， iv e dov ant ing 汉 n助 d p 纽 y a l m port adt ro leind 侧 =r . 巧 i ngcoln pen s a l i o n r a t i o o ul y at址 ght e m per a tu rc. 3 .丁 五 em o b i li tyd e pen don edge di sl o c 刁 l i on conce n o a t l 叽 别 万 e wdi s l o c a t i on c o n c 吧 ntration as w e l l as t b cin t e 口 以 沁 。阮栩e . them. thcm odeis of m o b ilityof 喇 ， d z i tc n . g 司 nas a允刀 d i on o fcar r i er c o d c e n t r a t io nfor dia 七 r e n t disl o c a t i o o 515 plau si b ility 阳 d p r e v i d edw i t h di s u 苗 t 扒 如d s houl d bei m p roved 4 . the 胡 al y seoflatti ce面sma t c h betwc eng an epitaxy and su be tratein d 1 cates t hat th e atom s al o n g w ithwid e t h ofr e c 加 叮 gl e crys t a 1 1 a t t 1 ceta k e p r eced e n c e tom at ch atoms inano t b e r 。 万 0 一 d l m e n s 1 0 n ai“ y s t a l l attice， 加t a ffec t e d b y th e at oms al o d g w i t b l e n gt h . 公y 贾 。 川 ; g a l l l um 苗 trider a t l o ; m o b l l i t y ; l a t t l ce m 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 南昌大李 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。 学位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ):确生 签 字 日期 :， 夕 年 、 月 /。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大李有关保留 、使用学位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借阅 。 本人 授 权南茜大李 可以 将 学 位 论 文的 全部 或 部分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ):崛望、名 (手 写 )锡 呵 签 字 日 期 :列年 ” 如 签 字 日期 “ )年 月 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通 讯地 址 : 电话 邮编 第 1 章概述 第 1 章概述 1 . 1 引言 氮化稼g an是宽带隙 (3. 3 9 ev)半导体材料，其发射波长可在蓝绿光区 至紫 外光区 连续变化，是制备短波长发光二极管 (led) 及激光二极管 ( ld) 的 最具 有应用前景的材料。同时g a n 基材料具有较高的 击穿电 压 (2. o xlo 勺 /cm) 和电 子漂移速率 (2. 5 xl 口c ln / 5 )，而且耐强酸和强碱腐蚀， 热稳定性好，因 此在 紫外光探测器，以 及高温，高 功率和在恶劣环境下工作的电 子器件方面有重要 的 应用 价 值tl 一 ， 已 成为当 前国 际 研究 热点。 在 光电 探测器 件方面， g an 材料有 着 优良 的性能。 ( l) g a n 不吸收可见光， 制成的紫外探测器可以 做到可见光盲， 不需要滤光系统。 ( 2) 不需要做成浅结，这样可以大大提高量子效率。 ( 3) g an的抗辐射能力很强，可以在探索宇宙奥秘方面发挥作用。由于g an基紫外探 测器在宇宙飞船、火箭羽烟探测、火灾监测等领域中有重要的应用价值，世界 上许多国家已经研制出多种结构的g an基紫外探测器，如光电导型、p - n 结型、 p-l 一型、 p-二 一 n 型、肖 特基结型、 粥m 型、 异质结型等.j 。 在这些不同 结构的 紫 外探测器中， g 洲基肖 特基结构紫外探测器由 于有较高的响应度和较快的响应速 度而获得很大的重视。近年来氮化嫁蓝、绿色超高亮度发光二极管的商品 化生 产和蓝紫光激光器的问世，被认为是半导体光电 子器件的重大突破， 标志着半 导体发光器件已 进入有重要应用前景的紫、蓝、绿光领域，市场前景广阔。 目 前，人们最为重视的是 g an 在蓝紫光波段的光电子应用。以往蓝光 l ed 的 研究主要集中 在s ic和z nse 材料上图 。 但是s ic是一种间接带隙半导体量子 效率很低， 这就决定了它不可能进一步向高亮度和激光二极管的方向发展，目 前sic 蓝光发光二极管的发光强度最高只能达到6 mcd ，而目 前的g a n 材料蓝光 二极 管的 发 光强度己 经达到了约 4 cds 。 z nse材料是一种直接带隙的 半导体材 料， 但该材料在约3 50时就会发生热分解导致器件加工困难同时器件工作不可 靠、 寿命短， 而相比 之下g a n 热分解温度大于1 0 co， 器件工作可靠寿命长， 目 前g a n 蓝光二极管寿命己 经可达数万小时。 由 此可见， g an及其相关材料是目 前生产蓝紫光l ed 的最理想材料。运用不同成份比例的i n : galj 或al，g al 尹 三 第 1章概述 元合金半导体还可以分别制作红光、 绿光和蓝光高亮度的发光二极管。 g an材料 在led 器件上的 应用使得l 印器件展现出了 一幅美好的市场前景。 红、绿、蓝 三色是视频显示的三基色， g an材料的应用使得发光强度在i cd 以 上的三种发光 管均成为 现实， 从而使l ed全色显示不再是梦想。 材料是否 适合制 造某类 器件常 用 优值来 衡量。 keye优值 用来表明 材料 适 合 制造集成电路的程度， j o hoson 优值用来表明材料适合制造高温大功率器件的程 度， b a l iga 优值则是 用来 表明 材料适合制造集成功率开关的 指标。 优 值越大， 表 明材料越适合制造相应器件。与硅、砷化稼、碳化硅、金刚石等半导体材料相 比，g an 具有优异的性能，如表 l l 所示。 表l l材料伏信比转191 5 言 1 1 g曰肠p一i cga n di ， m朋d 众拌、 1 3 806 3 0如3 01 1 8 加今抖阅 jo加翻n 、 ( 1 俨. 份， 0. 乃 9 . 06 2 . 525 331 5 6 7 073856 b al i ga， 5 湘对田 面 旬 11 5.74 .424 .61 0 1 1 . z gan 薄膜的结构及物理化学性质 单晶g an薄膜通常只观察到纤锌矿和闪锌矿两种结构，只在极端高 压下才 出 现岩盐矿结构 ( n aci 型复式正方结构)。 g an为无色透明晶 体， 一般呈纤锌 矿结构 ( 六方相) ， 是热力学稳定结构，晶格常数为a 二 0 . 3 1 89lun， c 月. 5 1 85lun， 有的具有闪锌矿结构 ( 立方相)，是亚稳态结构，晶 格常数a 二 0 . 4 52nln。 目 前对g an的 研究主要集中在纤锌矿结构的薄膜上。 g 胡材料是一种坚硬的 高熔点化合物， 其化学性质非常 稳定， 在室温下不溶于水、酸和碱， 含cl离子 的腐蚀剂对g 洲的刻蚀有较好的效果。 c a n材料的热稳定性良 好，热导率高。 g an的熔点现在还没有准确的测定， 这是由于要熔化g an则所需的温度和氮分压 都非常高。高电子迁移率、高击穿电 压、高饱和速度是g 胡的突出的电学特征， 非有意掺杂的g a n 都是n 型的， g an材料中存在较高的n 型本底载流子浓度。 迁 移率和载流子浓度是半导体材料最重要的电学参数。 g an材料的电学特性是决定 器件性能的主要因素。 第 1 章概述 g an薄膜的晶胞如图1 . 1 所示。 在g an的 研究中， 除结构性能外，电学性能 研究始终是另一重要的方面。在实验方面， 大量文献对所制备样品的载流子浓 度 和迁移率与 生长条 件的 关系 进行了 报 道， 在理 论 方面，c h i n 等 1 0，1 11建 立了 以 载流子浓度 和补偿度为 参量的 迁移率 模型， l m.a bd e l 一 m o ta l e b 等 11 2-1 句则建立 了以载流子浓度和位错密度为参量的迁移率模型。 二 _ _ 0， 少， 图l i g an 薄膜的晶胞 纤锌矿结构 ( a) ， 闪 锌 矿结构 助 1 . 3 g a n 薄膜质量的表征 g an 薄膜质量的判定是关系到高质量c 洲薄膜的制备和应用的重要问题， 目 前一般从以 下几个方面进行表征。( 1) 表面形貌由 原子力显微镜认 f m )、扫描 电 镜( s e m )和透射电镜(t 服)等表征。并用粗糙度定量描述。( 2) 结晶度和结 构通常用 x射线衍射(x rd)、丁 甜、高分辨率电子显微镜( hre m ) 和卢瑟福背散 射( rbs)/ 沟道( channeling) 谱等来表征。 其中最常用的是由x 射线双晶回摆曲 线( oc一 x rc)测试的衍射峰的半高宽( f 爪 翻 ) 来对样品的结晶 质量进行定量描述。 ( 3) 电学性能由h a l l 效应测量、红外反射光谱、r aj 叮 an光谱和电容电 压分析仪 ( e c 哟等表 征。 并 用载流子浓 度、 迁移率 定 量描 述。 (4 ) 光 致发光( pl ) 谱是一种 最重要、 最基本的表征g an薄膜质量和特性的方法， 可以 用来研究g a n的能带结 构、声子结构、束缚激子和自 由激子行为 等基本物理性质， 可由光致发光峰的半 高宽定量描述发光特性。 尽管g an薄膜质量的 表征手段很多， 但是， 目 前仍少有文献用补偿度来表征 g an材料的质量。 其实，补偿度早己 广泛用来表征51、g aas 等半导体材料，是表 征半导体材料杂质水平不可缺少的重要参量。 第 1童概述 目 前，以 金属有机化学气相沉积 ( m o c v d ) ， 分子束外延 ( m b e ) ， 氢化物 气 相外延( h v p e ) 为 主流 工艺的 g a n 薄 膜制备 技术成熟， 各 项参 数 稳定 ， 极大 地 促进了对g an材料的 精确表征和内 在机理研究。 但是， g 司 n 材料理论研究的许多 方面仍处于起步阶段。 例如， 除以 补偿度等为参数来表征g 瓦 n 迁移率外， 尚没有 g an补偿度的计算模型。 g an过高的生长温度( 1 0( 洲 ) 左右) 、 过高的v / 111比( 几 千以上)及与衬底巨大的晶格失配必然引入大量的本征缺陷，使它明显区别于 51 、 g 留 钻 等普通半导体材料: g 司 n 通常有很高的 补偿度。高 补偿度深刻地影响 了 g 州材料的 物理 性能， 降 低了 迁 移率、 辐射效率和结晶 质量及其 它性能 【 17- 1，1， 对器件产生重要影响1洲. 尽管g a n 材料的制备工艺和技术都已 经比 较成熟，产品也早已 走进市场， 应 用研究空前旺盛，但是，c a n 毕竟是一种新型的半导体材料，由于它独特的发展 历史，基础研究远远不够，突出 表现是，它的许多基本常数还处于未知状态， 许多规律现有理论无法解释， 对g an中缺陷和杂质的研究仍处于起步阶段， 等等。 这种状态必然进一步影响它的器件应用发展。半导体的缺陷和掺杂研究是材料 生长的核心问题。因此，对g a n 材料的补偿度的研究是非常必要的，对指导g an 的生长工艺的改进， 避免该类杂质或缺陷的产生， 获取高质量的 g an单晶和薄膜， 为器件设计提供依据具有重要意义。 1 . 4 g a n 薄膜的 缺陷 和杂 质 半导体中的缺陷和杂质极大地影响了 器件的电学和光学性能。根据缺陷和 杂质对材料的电学和光学性能的影响，一般分为施主型和受主型，根据缺陷和 杂质能级的位置又可分为深能级和浅能级。 纤锌矿g an中的缺陷和杂质种类繁多，主要有点缺陷、穿透位错、层错、纳 米管和微孔等。 在非平衡及非化学配比 条件下的生长、注入、退火和特性掺杂过程中， 缺 陷极易形成。 这些形成的缺陷一般分为本征点缺陷、复合体缺陷和杂质缺陷. 其中本征点缺陷主要有空穴、间位和反位6 种形态: (a) 氮空位砚 ， (b) 稼空 位几， (c)反位氮 ( 即锌位氮) 心， ( d) 反位稼 ( 即氮位稼) g t ， ( e) 间 隙 位氮n i.t ，和 ( f) 间隙 位稼gal.t 。复合体缺陷主要有本征点缺陷之间以 及本征 点缺陷与杂质的相互作用形成的复合体的形式:而杂质缺陷主要以施主杂质缺 陷、受主杂质缺陷、等电子系列杂质缺陷和氢杂质缺陷等形式存在。n an中可 第 1童概述 能的施主型缺陷主要有妈 、n o. t 、ga*。 t 、n . t 、5 1 、 、氏 、 m es砚 ;受主型缺陷主要 有枯、 m 、51， 、 v 白 es 氏 、 v es s i 。 。非特意掺杂的n 笼 洲 中 氮位氧( 时及稼位的硅 和碳( 51、 、 份) ，氮位氧及稼位的硅和碳都属于浅施主tzij。 在研究几与 施主51和 0 的关系时，发 现它们常常相互结合而形成v 奋 氏 和v 白 ess 坛复合体115。 非故意掺杂的 g an基本为n 型，其背景载流子浓度在1 口 .- 10lsc矿范围内。很 久以来， 如此高的背景载流子浓度， 一直归因于g an的本征点缺陷氮空位 ( 巩 )。 然而， j . n eugeb auer等认为在n an中 妈 是形成能很高的 缺陷。因此在生长不掺 杂或n 一 g an材料中不太可能存在，所以 巩 也就不是非故意掺杂n 弓a n 材料n 型电导 的 根源， 而非故意掺入的氧元素。 和硅元素51才是引起n 型电 导的真正原因tzi 刊。 通过计算得知， 这两种杂质元素在g an中是溶解度很高的浅施主.很显然与 讥 相 比，0 和51都有很低的形成能，所以它们很容易被引入到犷g an中。 纤锌矿n a n 薄膜中的位错主要起源于衬底与外延层的界面，并延伸到外延 层， 故 名为穿 透位错( t h r e a d i n g d i s l o c a t i o n ) 。 主要 有三种一 : 1 ) a 型， 柏氏 矢量为b=l / 3 a ，为刃型: 2 )c 型，柏氏矢量为卜c ，为螺型: 3 ) a+c 型， 柏氏 矢量的方向为1 / 3 ，为混合型。 a 、c 分别为h es g 胡的晶格常 数。 一般认为一 ， a 型( 刃型) 位错与岛 状生长有关，由 随后围 绕c 轴稍微旋转的 岛状晶粒合并长大引 起的: 柏氏矢量为b 二 0 0 0 1的半位错环是由倾斜较大的晶 粒在生长时被压制而形成的，而位错则由 倾斜较小的晶粒生长时产生的:混合 位错b = 1 / 3 由位错反应: 1 /3 + 1 /3 引起。 纤锌矿g 洲的层错，其密排面为(0 0 01) 面。层错主要发生在这种原子面上。 由于层错的产生与不全位错联系在一起，因此常用位错的形态和性能表征它们。 ， . qian等人国 认为: 纳 米管或微孔的 本质是一种开 核( 印enc ore)螺 位错， 只 不 过柏氏 矢量较大， 如zc，4c (c 为晶 格常数) . d . c h erns等人困提出了开核螺位 错形成的机制: 生长初期的岛状晶粒合并时产生微孔，如果此时形成的螺位错被 微孔俘获， 便形成纳米管。 从纳米管的本质特征来看， 它们的 存在也会影响材 料的光电特性。 尽管g a n 材料的点 缺陷、位错等缺陷 种类繁多， 浓度较高， 但是， 它的 本征 点缺陷形成能很大，二次缺陷难以 产生，因此，用g an材料制作的器件工作性能 稳定。 这是它的一大优点，也使它成为高 工作温度、 大功率或强酸强碱等恶劣 环境下工作条件下理想的电子器件。正因为如此， g an材料的补偿度表现出比 较 稳定的规律，深入研究这些规律具有重要意义。 第 1 章概述 1 . 5 纤锌矿个日 an迁移率理论和实验结果的矛盾 如1 ， 2 节所述， 在理论方面，迁移率模型众多， 可分为以 载流子浓度和补偿 度为参量的 迁移率， 及以 载流子浓度和位错密度为参量的迁移率，共两类模型。 但是， 其中存在许多矛盾， 一方面， 对于同一g an样品，同 一类模型的计算结果 不一致， 不同类模型的 计算结果也不一致:另一方面， 本文通过对大量文献的 实验测量曲 线进行了 拟合和分析，发现无论哪一种模型的理论值和实验值都常 常 有较 大的 偏差， 即 使是具 有极广 泛影响的 c h i n 等 人1101的 迁移 率模型， 也是如 此. g an材料的性质在很大程度上依赖于它的高 温、 高 化学匹比 及大失配异质外 延等特殊的生长条件，正因为如此，不同实验室在不同条件下所获得的 材料具 有不同的性质。 这就导致不同实验室的结果的不一致性。 这其中的最主要原因 之一就是材料中的杂质和缺陷水平。 但是， 对于质量较高的g 瓦 n 样品， 理论值不 宜也不能和实验值有较大的 偏离。为此， 深入分析其中的原因是十分必要的。 目 前， c h i n 等人的 迁移率模型被广泛应用来评估g an材料的 补偿度， 这就导 致了 对有些样品的补偿度评估不准。因 此，建立并完善g 州材料的补偿度模型， 具有重要意义。 1 . 6 本论文的主要内 容 本论文的主要工作，一方面，是基于chi n 等人的迁移率模型通过数值方法 建立纤锌矿们 一 g a n 补偿度解析模型，包括7 7k温度下和室温下的两个补偿度模型。 另一方面，针对室温下纤锌矿g an样品的补偿度常出现的理论值和实验值不一致 问 题， 提出了 一种可用于定量分析掺硅g an补偿度的 解析模型。结果表明，对于 质量较高的 纤锌矿n an样品，室温补偿度的模型值与理论值及实验拟合值三者 吻合得很好。具体内 容如下:第一章，综述了 g an材料与器件的应用范围、研究 意义、理化性质、质量表征、杂质缺陷 及目 前迁移率模型中存在的问 题。 第二 章，采用简化模型系统地探讨了各种情况下g an外延生长层和衬底失配度的计算， 讨论了 结合x rd衍射图谱确定失配度的方法。第三章，是本论文的主要工作，综 述了 霍耳效应原理、电 子载流子散射机制， 较详尽地分析和讨论了实验上确定 施主受主浓度及能级的方法。基于c h in理论，通过数值方法建立了适用于非故 意掺杂纤锌矿n a n 室温补偿度的计算模型; 通过理论计算，导出了 掺51情况下 纤 锌矿n an室 温的 补偿 度模型; 基于 h ali d ou理论111， 通过数 值方 法建 立了 适 第 1 童概述 用于重掺51纤锌矿n 刃酬室温补偿度的计算模型:基于c h i n 理论t01， 通过数值方 法建立了 适用于7 7k温度下n 一 g 酬无论掺杂与否的补偿度的计算模型。最后， 给 出了可用于样品变温霍耳测量结果拟合、分析各种温度下补偿度的变温曲 线最 简公式。第四章， 介绍了 实验上确定穿 透位错密度、类型及相互作用强弱的方 法， 其中详细地介绍了丫 s ri k a n t 等人通过理论拟合确定马赛克结构t ilt 、 栩i s t 的方 法，利用t ilt、 twist可直接换算成螺位错和刃位错密度。根据l m . a 目比m o taleb 等人1121的 迁移率模 型推导 方法， 通过计算、 理论拟合，分析了 载流子浓度 和温 度对位错的影响及迁移率降低的主要原因，指出了各种以载流子浓度和位错密 度为参量的迁移率模型尽管有一定的合理性， 但并不具有统一性。第五章，总 结全文。 第2 章6 . n晶格失配度的计算 第2 章 g a n 晶格失配度的计算 2 . 1 引言 目 前，o an 材料基本上是在异质衬底上外延生长制备出来的，这是由于同 质外延所需的大尺寸g a n 生长极为困 难。 c 司 n 异质外延常用的 衬底材料有蓝宝石 ( 川2 氏) 、si c、 川n 、 51 、 c 留 仙 和氧化物材料。蓝宝石是目 前使用最为普遍的 一种衬底材料， 它具有与纤锌矿结构相同的 六方对称性， 制备工艺 成熟， 价格较低， 易于清洗和处理， 而且高温稳定性好， 可以 大尺寸稳定生产。 但是蓝宝石衬底本身 不导电 ， 散热性能差， 晶 格常数与g 州相差16%， 热膨胀系数与g an材料的 相比 存 在较大的差异， 解理较为困 难. si c 是最适于g 剑 n 生长的 衬底材料， 同蓝宝石相比 ， si c 本身具有蓝光发光 特性，且电阻率较低， 可以 制作电极， 其晶 格常数和热膨胀系 数与g 司 阿材料更为接近， 击穿电场、 饱和速度和热导率高， 易于解理。 但是si c材 料价格昂贵。 a in 与g a n属于同 一材料体系， 晶 格失配只有2 %， 热膨胀系数相近， 是g a n 之外最为理想的衬底材料。 但现在获得的 川n 单晶 材料尺寸太小泪前一般 把 川n 作为缓冲层使 用。 m g o 、 zno 、 m g 月2 氏 、 l j a i 伍 等 氧化物材 料与 g a n 的晶 格失配小， 有些还能制备低阻材料， 其中以 2 心 0 最有前途. 51 被认为是制备 c a n 薄膜的较为理想的衬底材料，这是因为 51 具有质量高、 尺寸大、 电阻率低、 热 导率高、 成本低等优点。 如果用51 作g 司 阅 的 衬底， 极有可能 将g an基器件集成到硅 基大规模集成电路中。 但51 衬底也存在晶格失配和热膨胀失配较大的问题。 c 田 仙 的价格便宜， 易于解理， 容易获得大尺寸材料， 可以 制作电 极， 并有可能实现g an器 件与 g 田 仙 电 路的 混 合集成， 是一 类极具 发 展潜力的 衬 底材料. 1 知 曰 1 1 如上所述， 为获得高 质量的g a n 材料， 在选择衬底材料时 通常考虑的因素很 多，其中最重要的方面之一是:尽量采用同一系统的材料作为衬底，晶格失配度 越小越好，材料的热膨胀系数相近等。 为此， 超薄应变层技术、缓变组分层技 术、 横向 外延技术、 多缓冲层生长技术、 柔性衬底技术等方法应用于g an材料生 长来解决晶格失配度问 题。 柔性衬底技术是根据弹性应变能在“ 衬底， 和外延 层间的分配与平衡关系提出的。众所周知，对无限厚 衬底来说， 在失配条件下进行 异质外延， 外延层的厚度存在一 个临界值， 当 外延层的厚度小于临界值时， 系统中 第2 章 c . n晶格失配度的计算 的晶格失配主要由外延层弹性应变， 在外延层中 储存弹性能来补偿。当 外延层厚 度大于临界值时， 系 统中的晶格失配则会导致外延层中 位错的产生。 如果衬底的 厚度是有限的， 则外延层的临界厚度会增加。所谓 “ 柔性衬底”正是厚度很小的 “ 衬底” ， 这个厚度越小， 外延层的临界厚 度越大。 如果衬底很薄， 则由于“ 镜像 力”的作用， 系统中即使发生了 位错， 位错也主要分布在“ 衬底”中. 对于“ 柔 性衬底” 来说， 技术上需要解决的一个问 题是“ 衬底， 的 支撑问 题。 一般情况下， 通常采用高温下比 较 “ 软”的玻璃介质材料和较“ 硬” 的晶 态材料组成的复合 衬底作 “ 柔性衬底” 的支撑衬底， 典型的“ 软”材料有5 1 0 2、 si 3 n4 、 硼归玻璃 等。 晶格失配度( 以 下简称失配度)， 即晶 格错配度， 是描述衬底和外延膜晶格匹 配的参量。晶格失配和热膨胀系数失配不同程度地影响晶体的外延生长， 在外延 层中产生大量缺陷， 甚至无法生长单晶， 影响器件的性能和寿命。对晶体材料的 失配度分析也就成为人们最为关心的问题之一。 晶格失配度分析对于分析材料生长机制，提高材料质量具有重要意义。当 在衬底上外延生长与衬底晶格常数不同的异质单层材料时， 在外延生长的起始 阶段，外延层将发生弹性形变，以使其在生长平面内的晶格常数与衬底的晶格 常数相等，此时两者之间的界面是相干界面，属于共格生长情况。然而，当外 延层的厚度增加到某一数值时，将在外延层和衬底的界面上开始出现失配位错。 一旦出现失配位错，外延层的弹性应变将被位错弛豫掉一部分 ( 即位错将会承 担一部分晶格失配，从而使外延层的弹性应变减少。对于给定的晶格失配， 在生长过程中，在外延层与衬底的界面上开始出 现失配位错的外延层厚度，或 者说，外延层中不出现失配位错的最大外延层厚度称为与该失配对应的临界厚 度。 aig 吐 叮 0 创 n h e m t 结构材料， 因aig 瓦 n 材料和g 州材料的晶格常数不同， 因 此在g an上生长川g a n 时属于失配外延， 为了 确保材料质量， aig an层的厚度应 小于其临界厚度以 避免在界面产生失配位错而影响器件性能。因此必须弄清楚 在不同的 ai摩尔组分下的川c a n 层的临界厚度， 这对材料生长有着重要的参考 意义。为此， v and e r m erwc 最早意识到临界厚度存在并提出 计算aig a n 层临界 厚度的模型力平衡模型，得到的临界厚度为: 、 。 互 、 2 二 竺 望 壑 匕 !1 + ，n 1 (2 . 1 ) 、 j ) 队叹 1 + v ) cos 几 tb 第2 章 c 活 n晶格失配度的计算 其中v 是外延层的泊松比， b 是失配位错柏格斯矢量的大小， bc是外延层厚度，入 是位错的 滑移方向 和垂直于滑移平面和界面交线的 直线方向的夹角，e 是位错 线与其柏格斯矢量的夹角， 占 为晶格失配度。 求解上面方程即可获得该晶格失配 的临界厚度切 。 然而， 各种文献并没有采用统一的失配度定义， 导 致对于同 样的衬底和外延 层却 有不同的失 配 度. 例如 ， g 州在蓝 宝 石衬底上的 失配 度有1 既网 ，13 . 8 % 阁 气 以 及1 溅困 等不同 说 法. 一般情 况下， 气相外延生长 要求失 配 度小 于1 以， 液 相外 延生长要求失 配度小于1 % ， 而用于光电 器件的异质结的失配度更应小于 0. 1 % 。因 此， 了 解失配度的定义， 掌握其计算方法， 在研究工作中显得非常重要. 2 . z g a n 晶格失配度的计算 2 . 2 . 1 晶格失配度定义 半导体外延膜与衬底间的失配度有三种定义。设无应力时衬底的晶格常数 为 几， 外延薄 膜的晶 格常数为 a 。 ， 晶 格失配度为6 ， 定义1 氏. 匕 二 竺 丝 ( 2 . 2 ) 定义2 人 !a 。 一 a 。 团 a. ( 2 . 3 ) 定义 3 几 2 !a ， 一 气 ! 、 ( 2 . 4 ) a ， +aa 定义1 的分母是外延膜的晶格常数， 这是许多文献采用的定义。也有不少文 献采用定义2 ，用衬底的晶 格常数做分母。 定义3 的分母既不是衬底， 也不是外延 膜， 而是两者的平均晶格常数， 这是求半导体异质结的失配度定义，有些文献也 将它用于一般的外延膜和衬底间。这样，同样的外延膜和衬底就有三个不同的 失配度。对六方g an在六方蓝宝石衬底上的失配度分别用这三个定义计算，便得 到1 “国 ，1 3 . 既t34 ， 1 5 % 国 的 结 果. 用定 义1 和定 义 2 计 算的 结 果 相 差 较大 时 ， 有的 文献便采用较小的 值。 此外， 材 料的晶格常数随材料本身的 缺陷 和掺杂、 衬底的 选择、生长工艺不同 而不同，不同的文献常有不同的实验值， 但这些对失配度的 第2 章g 司 闪晶格失配度的计算 影响不大， 主 要还是采用不同的定义带来的失配度大小的差别。 一般认为， 引 2溅完全失去匹 配能力图。 2 . 2 . 2 简化模型 绝大部分半导体 材料具 有 金刚 石结构、闪 锌矿结构 ( p 相 ) 或纤锌矿 ( 。 相 ) 结 构。金刚石和闪 锌矿结构是由 两套面心立方结构沿对角线方向 平移1 /4对角线长 套构而成的， 纤锌矿结构则是由 两套六方密堆积结构沿c 轴平移5 /8c 套构而成 的。 结构虽然复杂， 但是失配度只涉及生长面上衬底和外延膜的 两个二维晶格面， 因 此为简化， 暂不考虑它们的体结构。金刚石与闪锌矿结构的( 1 1 1)面和纤锌矿 结构的( 0 0 01) 面或( 0 0 0 2)面原子排列完全一样， 最小的二维晶 格都是正三角形， 本文不妨称其为正三角形晶格， 而金刚石与闪锌矿结构的( 1 0 0)面最小二维晶格 (a) (111 ) 奋 和 ( 咖1 ， 都 是 正 三 角 形 晶 格 ( )( 1 的 ) ， 是 正 方 形 晶 格 图 2 . 1 半导体外延层生长面上的 两种最重要的二维晶 格 都是正方形， 本文称其为正方形晶 格， 如图 2 . 1 所示。 此外， 还有正交晶系和正方 晶系的长方形晶格等。 设晶格常数为a. 正三角形晶格的原子列原子排列周期如图 第2 章 抽 n晶格失配度的计算 2.2(a) 所 示 ， 相 应 的 垂 直 方 向 的 原 子 列 原 子 排 列 周 期 有 a，石a， za 等 . 同 理 ， 正 方 形 晶 格 垂 直 方 向 的 原 子 列 原 子 排 列 周 期 有 a 、 扼暇、 行a，如 图 2 .2 伪 ) 所 示 . 朋 摊c 冰d方自的旅子排列月翔依次是 矿 几 ， 2 . ， 其中胭j c 央 角 为30 . 月 b 摊c 洲口方向的耳子排列周期依次是 . 矿 肠 左， 才 舀 . 其中胡摊 c 央角 为朽， ( a )向 图 2. 2 正三角 形晶 格的 原子排列周期( a)及正方形晶 格的 原子 排列周期 伪) 2 . 2 . 3 衬底和外延膜的二维晶格相同时的失配度 绝大多数情况下， 外延生长六方( 立方) 晶体时常采用体结构相同的六方( 立 方) 晶体， 这是因为生长面上的二维晶格都是正三角形( 正方形) 时晶格容易匹 配。外延生长六方晶体还可选择立方晶体的( 1 1 1 ) 面， 也是这个原因。衬底和外 延层接触面的 二维晶 格结构相同时， 某一晶向的失配度和相应的 垂直方向的失 配度相同， 即晶格匹配相同， 只要这一方向晶格匹配， 相应的垂直方向 就自 然匹 配。一般地， 各文献上的失配度基本上是指衬底和外延膜二维晶格相同时的失配 度。 计算失配度的方法是: 晶 面匹配. 最常见的是:( 0 0 01)h ex / ( 0 0 01) h e x( 两正三角形晶格匹配)， ( 1 0 0 )fcc/ ( 1 0 0 )f c c( 两正方形晶格匹配): 其次是: ( 0 0 01)h ex / (1 1 1 )f cc ( 两正三角形晶格匹配); 最后是: 一个是 三角形晶格， 而另一个是正方形或长方形晶格， 此时需两相互垂直方向均匹配。 晶向匹 配.晶格常数相差一般不超过2 溅时 ，直接确定匹配晶向 ， 如 (11 一 2 0) / ( 1 1 一 2 0 ) ，( 1 0 0 / ( 1 0 0 ，( 1 1 一 2 0 )/ ( 1 1 0 )。否则， 晶向匹配使晶 格 30。旋转( 正三角形晶 格间匹配) 或4 5 。旋转( 正方形晶 格间匹配)，即 (l1 一 2 0 / 1 一 1 00 ，( 1 00/ (l 10 ，这样有 助于 减小失配 度， 降 低界面能。 计 算 失配度。 一般情况下， 直接根据晶 格常数计算: 出 现原子列旋转时，其中一晶 格 常数须改成能和另一原子排列周期相匹配的原子排列周期。对于性质不同的晶 面匹配，两垂直方向的失配度不同。 例如，g 洲 属六方结构时，原子排列周期 第2 章c 司 n晶格失配度的计算 可为 a，石a，za. 即 3. 1 85 ， 5. 5 17 ， 6. 3 70; 而为 立方结 构时 ， 原 子排列周期可为扼班， a，五a ， 即 3. 21 ，4 . 5 4， 6. 42. 它 和 部 分 衬 底的 失 配 度 可 列 表 计算 如 表 2 . 1( 其中 未 注 明文献来源的为作者的计算值): 需要指出的是， 失配度必须在已知外延层和衬底的晶体结构下才能确定。 g 出等氮族化合物半导体材料既可有闪锌矿结构又可有纤锌矿结构。 研究表明， 外延层的初始稳定晶向主要取决于外延材料与衬底材料的晶体结构及跨越界面 的 化 学 键的 特 性 ， 而 不 依 赖 于 具 体 的 生 长 过 程 阅. 实 验 表明 ， 生 长 在 ( 1 1 1 ) 5 1 面 或 (l l l)g 时 始 面 上的 g n 基 本上是 纤锌 矿结 构， 而生长 在 (oo1 冷 1 面 或 (oo1 冲田 切 面 上 的 g 创 n 基 本上 是闪 锌 矿结 构 ， 即 c- g a n ( 或 表 示为卜g 对 勺 。 也 就是 说 ， 衬 底的 结 构 对 生长出的外延层的结构有极其重要的影响。 表2 . 1 : g a n 在常见衬底材料上的 失 配度( 晶格 常数单 位:1 少om) 外延层/ 衬底晶面匹配原子排列周期晶向匹配8 。a : 酬2.lx3.thzls翼 l6m2.1sll仲酬17%酬 o a n / a l 众( 0 的1 ) “/( 的0 1 ) 月 . 翻附2 n 0( 以 沁 1)公/ 侧 洲 ， 1 ) 劫 c 洲/ 研- s i c( 扣1 ) “/( 0 佣1 ) s l c g 胡/ 5 1( 以 】 0 1 ) “/( 1 1 1 ) 目 g 州/ 5 1( 1 00 “/( 1 1 1 ) 51 c 州/ c 助5( 1 00) “/( 1 00) 的 5 . 5 1 7 /4。 7 58 31 55/3。 2 5 2 31 85/3 08( 3 。 1 8 5 / 3839 生5 4 / 5 . 43 4.5 4 / 5 . 653 曰/ 扣 ， . ( 1 1 扮 2 0 ) 曰/ 1 1 we 2 0 ， “/ 1 1 一0 s l c 1 1 一0 曰/sl 闷/s: 1 00) “ / . 从表2 . 1 中及定义容易发现，随失配度的 增大， 6 : 和8 2 的 差也增大。 在8 : 5 % 时， 8 ， 、8 : 近似相等: 8 : 1 侃时， 相差1 % 以内;6 。 1 5 % 时，相差器以内，最 大相差超过码。因此， 本文建议应尽量统一采用使用相对较多的6 ， 。 2 . 2 . 4 衬底和外延膜的二维晶格不同时的失配度 尽管材料生长优先考虑体结构相同或生长面二维晶格相同的衬底， 但是， 本 文仍