（微电子学与固体电子学专业论文）微波ECR等离子体技术及制备GaN薄膜研究.pdf

华南师范大学硕上研究生学位论文摘要 摘要 微波e c r 等离子体技术及制备g a n 薄膜研究 专业名称：微电子学与固体电子学 申请人姓名：张洪宾 导师姓名：陈俊芳教授 氮化镓是一种良好的宽带隙一v 族化合物半导体材料，是当前世界上最先进的半导 体材料之一。在室温下，氮化镓的禁带宽度为3 4 e v ，是制作光电子器件，蓝、绿发光二 极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 的理想材料。这类光源在高密度光信息存储、高速激光打印、 全色动态高亮度光显示、固体照明、信号探测、通讯等方面有着广阔的应用前景和巨大的 市场潜力。此外，氮化镓也是制作高温、高频、大功率器件的理想材料。目前，氮化镓材 料己经成为世界各国研究的热点。 金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 、分子束外延( m b e ) 和氢化物气相外延( h v p e ) 等 方法己经成为制备g a n 的主流工艺，其中m o c v d 使用的最为广泛；但这几种传统方法 都是在高温下进行的，工艺复杂，设备昂贵，限制了g a n 材料的制备、生产和应用，因此 开展低温外延g a n 薄膜材料的研究意义重大。 目前g a n 基器件大多数制作在蓝宝石衬底上。由于蓝宝石价格昂贵、衬底自身绝缘且 硬度大、器件工艺复杂、制作成本费用高，且其导热性能差，不利于大功率器件的制作， 硅衬底则可以弥补这些不足。因此，开展s i 基g a n 薄膜材料的外延生长意义重大。虽然 以s i 为衬底的六方g a n 材料的生长有一定难度，但由于其晶体质量高、价格低廉、易解 理、良好的导电性和成熟的s i 基集成技术等优点，成为蓝宝石衬底强有力的竞争者。 本论文在系统总结了国内外g a n 材料制备与器件工艺的研究历史、现状基础上，利用 e c r p e m o c v d 系统在硅衬底上低温外延了g a n 薄膜。论文首先通过诊断e c r 等离子体 华南师范大学硕士研究生学位论文 摘要 的空间分布特性，及e c r 等离子体发射光谱各基团的光谱特性，获得了适合薄膜生长的工 艺参数，最后通过薄膜的品质表征，如x r d 、f t i r 、a f m 表面形貌分析对硅基g a n 薄膜 的外延生长和特性进行了研究，取得了一些阶段性成果： 1 在z = 0 2 0 c m 的反应室上游区，等离子体分布不均匀；而在z = 2 0 3 5 c m 的下游区， 等离子体受磁场影响较小，等离子体具有良好的均匀性。综合分析微波功率、工作气压对 e c r 等离子体空间分布的影响，认为在e c r 等离子体化学气相沉积工艺中，不提倡采用 高功率、高气压等离子体放电来提高薄膜沉积速率；微波功率选取4 0 0 5 0 0 w ，放电气压 取0 0 6 0 0 8 p a ，有利于获得高密度高活性大面积均匀的等离子体和沉积出高质量的薄膜。 2 e c r 氮等离子体中主要发生的是碰撞激发、碰撞电离，碰撞离解等微观过程，其发 射谱线主要有n 2 的第一正系列( b 3 g _ a 3 u + ) ，n 2 的第二正系列( c o i - i u b 3 兀g ) ， n 2 + 的第一负系列( b 2 u + _ x 2 z g + ) ，以及弱的n 拳辐射谱线( n 2 + e n + n + + e ) 组 成；在e c r 等离子体自加热条件下就可以获得那些高温条件下才能得到的活性反应基，这 使得本来需要高温条件下才发生的化学反应在低温下就可以实现。 3 利用e c r p e m o c v d 法在低温下外延出了六方纤锌矿结构的硅基g a n 薄膜；引 入g a n 缓冲层后，减小了g a n 外延层与衬底s i 之间的晶格失配和热失配，得到了质量优 良的具有c 轴取向的g a n 薄膜。 关键词：e c r 等离子体；l a n g m u i r 探针诊断；发射光谱分析；g a n 薄膜 中图分类号：0 4 3 4 1 4文献标识码：a i i 华南师范大学硕士研究生学位论文 摘要 mic r o w a v ee c rp l a s m at e c h n o l o g ya n dt h ep r e p a r a tl0 n a b s t r a c t o fg a nt hinfll m s m a j o r ： m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d e l e c t r o n i c s n a m e ：h o n g b i nz h a n g s u p e r v i s o r - j u n f a n gc h e n g a ni sa ne x c e l l e n tw i d eb a n dg a p l l l - vc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a la n da l s oo n eo f t h eb e s ta d v a n c e ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s h a v i n gl a r g ed i r e c te n e r g yb a n dg a po f3 4e va t r o o mt e m p e r a t u r e ，g a ni sa ni d e a lm a t e r i a lf o rf a b r i c a t i n go p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，e s p e c i a l l y b l u ea n dg r e e nl i g h te m i t t i n gd i o d e s ( l e d ) a n dl a s e rd i o d e s ( l d ) t h i sk i n do fm a t e r i a l sh a v e g o o dp o t e n t i a la p p l i c a t i o na n dg r e a tm a r k e td e m a n di nh i g hd e n s i t yo p t i c a li n f o r m a t i o nm e m o r y , h i g l ls p e e dl a s e rp r i n t ，h i g hb r i g h t n e s sd y n a m i c ，f u l lc o l o rd i s p l a y , s o l i di l l u m i n a t i o n ，s i g n a l d e t e c t o ra n dc o m m u n i c a t i o n i na d d i t i o n ，g a na t t r a c t sm u c ha t t e n t i o nf o rf a b r i c a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r e ，h i g hf r e q u e n c ya n dh i g hp o w e rd e v i c e s p r e s e n t l y , m u c ha t t e n t i o ni sb e i n gp a i dt o g a nm a t e r i a l sa l lo v e rt h ew o r l d m o c v d m b ea n dh v p eh a v eb e c o m ed o m i n a t i n gt e c h n i q u e st og r o wg a nm a t e r i a l s a m o n gt h e s em e t h o d s m o c v di st h em o s ti m p o r t a n ta n dw i d e l yu s e db yr e s e a r c h e r s i nt h e s e v e r a lt r a d i t i o n a le p i t a x i a lg r o w t ht e c h n i q u e so fg a nt h i nf i l m sh i g ht e m p e r a t u r em u s tb e r e q u i r e d ，a n df o rt h er e a s o no fc o s t l ye q u i p m e n t sa n dc o m p l i c a t e dt e c h n i c sa tp r e s e n tl a r g e - s c a l e a p p l i c a t i o no fg a nd e v i c e si sc o n f i n e d t h e r e f o r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no fg a ne p i t a x yi nl o w t e m p e r a t u r ei so fe x t r e m ep r a c t i c a li m p o r t a n c e u n t i lr e c e n t l y , t h em a i o r i t yo ft h eg a nb a s e dd e v i c e sh a v eb e e nf a b r i c a t e do ns a p p h i r e s u b s t r a t e s h o w e v e r ，b e c a u s es a p p h i r ei t s e l fi sv e r ye x p e n s i v e ，i n s u l a t e da n dh a r dt oi n c i s e ，l o w t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya sw e l la sd i f f i c u l tt e c h n i q u e sa n dh i g hc o s tf o rd e v i c e s ，i ti s d i s a d v a n t a g e o u st of a b r i c a t eh i g hp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e s b u tt h es is u b s t r a t e sc a nm a k eu p s a p p h i r e ss h o r t c o m i n g t h e r e f o r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no fg a ne p i t a x yo ns i l i c o ni so fe x t r e m e p r a c t i c a li m p o r t a n c e a l t h o u g ht h ed i r e c te p i t a x i a lg r o w t ho fh e x a g o n a lg a n m a t e r i a l so ns i s u b s t r a t e si sv e r yd i f f i c u l to w i n gt ot h el a r g el a t t i c em i s m a t c ha n dt h et h e r m a le x p a n s i o n c o e f f i c i e n t ，s ii sv e r ya t t r a c t i v eb e c a u s eo fi t sc o n s i d e r a b l ea d v a n t a g e s ：h i g hq u a l i t y , r e l a t i v e l y i 华南师范大学硕上研究生学位论文 摘要 l o wc o s t ，d o p i n gc a p a b i l i t y , a v a i l a b i l i t yo fl a r g ea n dh i g h q u a l i t yw a f e r s ，t h e r m a la n de l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , a n dp o t e n t i a li n t e g r a t i o no ns it e c h n o l o g y i th a sb e c o m eas t r o n gc o m p e t i t o rf o r s a p p h i r e i nt h i st h e s i s ，w ef i r s tp r e s e n t e dac o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h er e s e a r c hh i s t o r ya n dc u r r e n t s t a t u so fg a nm a t e r i a lp r e p a r a t i o na n dg a n b a s e dd e v i c e sp r o c e s s i n g o nt h eb a s i so fo u r e c r - p e m o c v ds y s t e m ，w eh a v ed e p o s i t e dt h eg a ne p i t a x yo ns i l i c o ns u b s t r a t ea tl o w t e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r , d o u b l el a n g m u i rp r o b ew a sf i r s t l ya p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h es p a t i a l p l a s m ad i s t r i b u t i o n ，a n dt h e nag r a t i n gm o n o c h r o m e t e r w i t ha1 2 0 0 l m mg r a t i n gw a se m p l o y e d t o i n v e s t i g a t et h eo p t i c a le m i s s i o ns p e c t r u mo fs p e c i e si nn 2p l a s m ai n o r d e rt oo b t a i nt h e a p p r o p r i a t ed e p o s i t i o nc o n d i t i o n f i n a l l y , b a s e o nt h er e s u l t so ft h e d i a g n o s e ，t h e e c r - m o p e c v dt e c h n o l o g yw a sa d o p t e dt og r o wt h eg a no ns i l i c o ns u b s t r a t ea tl o ws u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ，a n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) f o ra n a l y z i n gc r y s t a ls t r u c t u r e ，f o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) f o rp h o n o no s c i l l a t i o n ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) f o r i n v e s t i g a t i n gs u r f a c em o r p h o l o g yw e r eu s e dt oa n a l y z et h eq u a l i t yo fg a nt h i nf i l m s t h e o b t a i n e dr e s u l t sa r ea st h ef o l l o w i n g ： 1 u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h em a g n e t i cg r a d i e n t ，t h ee c rp l a s m ai nt h eu p s t r e a mr e g i o n ( z = 0 2 0 c m ) o ft h er e a c t i o n c h a m b e rh a sp o o ru n i f o r m i t yd i s t r i b u t i o n h o w e v e r , i nt h e d o w n s t r e a mr e g i o n ( z = 2 0 3 5 c m ) ，t h ep l a s m ah a sf i n eh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n t h r o u g h c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ei m p a c tf r o mt h eg a sp r e s s u r ea n dm i c r o w a v ep o w e rt op l a s m a d e n s i t y , w ed o n ta g r e es e th i g hm i c r o w a v ep o w e ra n dh i g hg a sp r e s s u r et oi n c r e a s et h e d e p o s i t i o nr a t e s e l e c t i n gt h ew o r kp r e s s u r e0 0 6 - 0 0 8 p aa n dm i c r o w a v ep o w e r4 0 0 5 0 0 w d u r i n gt h ee c rp l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o np r o c e s si sc o n d u c i v et ot h er a p i dd e p o s i t i o n o fh i g h q u a l i t ya n du n i f o r mf i l m s 2 t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e r em a i n l ye x i s ts e v e r a lm i c r o p r o c e s s e so fc o l l i s i o n e x c i t a t i o n ，c o l l i s i o ni o n i z a t i o n ，a n dc o l l i s i o nd i s s o c i a t i o ni nt h ee c rp l a s m a t h eo p t i c a l e m i s s i o ns p e c t r u mo ft h en i t r o g e ne c r p l a s m ai sc o m p o s e do ft h ef i r s tp o s i t i v es e r i e so fn 2 ( 口3 兀。专彳) ，t h es e c o n dp o s i t i v es e r i e so fn 2 ( c 3 f i 。专b 3 1 - i g ) ，t h e f i r s tn e g a t i v es e r i e so f n 2 + ( b 2 h + 。专x2 + g ) ，a sw e l la st h ew e a k r a d i a t i o nl i n e so fn 宰( n ：+ e 专+ + + 勉) t h o s ep l e n t i f u le n a b l e dp a r t i c l e sw h i c hu s e dt ob eo b t a i n e du n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n h a v eb e e np r o d u c e do nt h ec o n d i t i o no ft h e c h e m i c a lr e a c t i o n sw h i c hu s e dt oo c c u ro n l y t e m p e r a t u r e e c rp l a s m as e l f - h e a t i n g ，a n dt h a tm a k e st h e a th i g ht e m p e r a t u r eh a v et a k e np l a c ea tl o w 3 b vu s i n go fe c r p e m o c v dt e c h n i q u e ，w ed e p o s i t e dw u r t z i t es t r u c t u r e dg a l l i u m n i t r i d e ( g a n ) e p i t a x yo ns i l i c o ns u b s t r a t e sa tl o wt e m p e r a t u r e u s i n gp o l y c r y s t a l l i n eg a n a sa b u f f e rl a y e r ，t h el a t t i c ea n dt h e r m a lm i s m a t c hb e t w e e nt h es is u b s t r a t ea n dg a ne p i t a x i a ll a y e r h a sb e e nr e d u c e d ，a n dw es u c c e s s f u l l yg r e wt h es t r o n g l yc o r i e n t e dg a n c r y s t a lf i l m so ns i s u b s t r a t e sb yt w os t e pg r o w t hp a t t e r n ，a n dt h eg a nb u f f e ri m p r o v e dt h ec r y s t a lq u a l i t ya n dt h e s u r f a c em o r p h o l o g yo fg a nt h i nf i l m s k e yw o r d s ：e c rp l a s m a ；l a n g m u i rp r o b e ；o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r u m ；g a nt h i nf i l m i v 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：狱泼箕 日期：砂d ，年5 月31 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名：袱泼箕 日期：2 p p 弓年j 月3 f 日 导师签名： 日期：2 o o 华南师范大学硕t ：研究生学位论文 微波e c r 等离子体技术及制各g a n 薄膜研究 第一章绪论 以氮化镓( g a n ) 为代表的宽禁带半导体材料的研究与应用是目前全球半导体材料研究 的前沿和热点。它与s i c 、金刚石等宽带隙化合物半导体材料一起被誉为是继第一代g e 、 s i 半导体材料、第二代g a a s 、i m p 化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。由于直接 带隙材料的光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级又加上宽禁带，g a n 基材料是制备蓝绿 光发光二极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 等光电器件的首选材料。同时由于g a n 基材料具有 电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好、化学和热稳定性好等特点，也非常适合 于制作高温、高频及大功率电子器件。 然而，g a n 基蓝色发光材料的生长与制备经历了一个暗淡的时期。长期以来，由于没 有一个适合于g a n 生长的衬底材料，不得不采用与之有很大晶格失配度的蓝宝石作为衬 底，加之生长g a n 需要1 0 0 0 。c 以上的高温和g a n 的蒸气压较高，所以难以在蓝宝石上获 得高质量g a n 单晶，而p 型g a n 更是难以实现，采用这种材料制作的发光器件也仅有m i s 发光二极管。分子束外延( m b e ) 和金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 及其相关超薄层外延技 术的进展，为g a n 基蓝色发光材料的生长带来了转机，并开辟了新的研究方向。正是由于 在氮化镓( g a n ) 基材料制备方面取得了突破性的进展，在世界上才掀起了蓝色发光和激光 的研究热潮，这必将对光电子技术、半导体照明、现代通讯、信息存取等高新技术产业带 来重要影响。我国在“8 6 3 ”高技术计划中，也把g a n 基i i i v 族蓝绿光激光材料的研究列 为重点。 1 1 g a n 的基本特性 1 1 1g a n 的物理特性 g a n 可以结晶形成三种晶体结构：六方纤锌矿结构( h e x a g o n a lw u r t z i t es t r u c t u r e ) 、立 方闪锌矿结构( c u b i cz i n c b l e n d es t r u c t u r e ) 、立方熔盐矿结构( c u b i cr o c k s a l ts t r u c t u r e ) ， 分别如图1 - 1 。1 - 3 所示。一般来说，在单晶g a n 薄膜中通常只观察到两种结构，即纤锌矿 结构和闪锌矿结构，在极端高压下才能出现岩盐矿结构。1 9 9 6 年，中国科学技术大学钱逸 泰等人【2 】运用苯热过程，在5 m p a ，2 8 0 。c 。3 0 0 。c 的条件下得到了w u r t z i t e ，z i n c b l e n d e 和 华南师范大学碗士研究生学位论文微波e c r 等离子停技术强制备g 讲薄膜研究 r o c k s a l t 三相共存的g a n 。 纤锌矿结构的g a n 具有六角晶胞，每个晶胞含六个g a 原子、六个n 原子，晶格常数 为a 凸和如纤锌矿结构g a n 含有两套六角密排m c f ) 子晶格，分别仅包含m 和n 原子， 它们沿c 轴相互错开5 8 c ( c 为晶格常数) 。 ；弑 图1 - 1 纤锌矿g a f f 各个不同方向的透视图( a ) 0 0 0 1 b0 ) 1 1 2 0 b ( c ) 【t 0 1 0 妒 邑 醛摹 圈1 - 2 立方闳锌矿结构g a n 的透视图图l o 岩盐结构g a n 的透视图 闪锌矿结构的g a n 具有图1 - 2 所示的立方晶胞，每个晶胞含四个g a 原予，四个n 原 子。原子在晶胞中的位置和金刚石结构相同，为两个相互套穿沿体对角线错开1 4 的面心 立方格子，每个原子可以看作处在以其四个最近邻原子为顶角组成的四面体的中心。 纤锌矿g a f f 和闪锌矿g a n 结构基本类似，每个g a 原子周围都有四个n 原子，每个 n 原子周围都有四个g a 原子；这两种结构最主要的区别在于最致密面的堆积方式不同， 纤锌矿沿c 轴【0 0 0 1 】方向上的堆垛顺序为a b a b a b ，而闪锌矿沿【1 1 1 】方向的堆垛顺 序为a b c a b c p 】。在通常情况下，热力学稳定相是纤锌矿结构，而闪锌矿结构是亚稳态， 只有在衬底上异质外延材料才是稳定的，j u z a 和g a h n 最早报道的c r a n 是纤锌矿结构，并 具有晶格常数a o = 0 3 1 8 r i m ，岛= 0 5 1 8 5 n m 。后来又进行了许多次测量，认定g a n 晶格常数 值为a o - - 0 3 1 8 9 n m ，c = 0 - 5 1 8 5 n m 。表卜1 列出了纤锌矿结构和闪锌矿结构g a n 的主要物 理性质 - s l 。 蒋 毋 罐。 9 诤口 每 黛g 盗 争 表1 - 1 纤锌矿结构g a n 和闪锌矿结构g a n 的主要物理性质 性厩铡颂缁镑矿雅构g a n 渊誓傍“纠；构g a n 带隧缝璇e g 3 3 9 e v ( 3 0 0 k ) 3 5 0 e v ( 1 6 k )3 2 3 3 e v ( 3 0 0 k ) 锘t 隙t 泓鹰曼数嘲a 胛一6 = 3 0 0 k l0 4evk=300k 、一 一 8 碍z 天a r ，力藐数d e ( d p ) ；4 。2 1 0 3 e v ：k b 穰r ( t = 3 0 0 k ) e g ( d p 潞格鬻数a ：。- - - - 5 3 1 1 8 8 9 5 2 + 圭。0 。0 。0 。0 5 9a a a 4 。5 2a 热膨黯长系数 a a a 一5 5 io 娟k ( t 一3 0 0 k )a c 惩硝1 7 xi o k 热铮率 k 1 3 9 d c m k 掰射举 嚣燮冀戮7 n f 3 e v ) = 2 。9 介f 魏常数，一8 。9 锄一5 3 5 魄于宙徽矮凇m 鼠2 僦o 0 2 ) t o o a l ( t o ) = 5 3 2 c n f 4 e l ( t o ) 一5 6 0 c m 7 4 0 c m 。l 声管襁武嚣2 1 4 4 5 6 9 c m d 4 0 3 c m ”1 a l ( l o ) - - ，71 0 c m e l ( l o f 7 4 1 c m “ 鬻艘g c m 3 & 1 56 1 5 燃点，1 7 0 0 。c 1 1 2g a n 的化学性质 氮化稼是极其稳定的化合物，具有强硬度、抗常规湿法腐蚀的特点，且在室温下不溶 于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解，因此实验多使用熔融的n a o h 和k o h 对g a n 进行腐蚀分析 6 - 7 1 。n a o h 、h 2 s 0 4 和h 3 p 0 4 能较快地腐蚀质量差的g a n ， 可用于其中的缺陷检测分析【8 。1 0 】。对于g a b 的表面化学特性，许多研究小组用俄歇能谱 ( a e s ) ，x 射线发射光谱( x p s ) 、电了能量损失谱( e e l s ) 进行了研究。正是由于g a n 的这种 稳定性，目前尚未确立一种合适的湿法刻蚀工艺，现在主要用等离子体工艺进行刻蚀【1 。 g a n 的热稳定性在高温和大功率应用场合显得至为重要。j k a r p i n s k i l l 2 】等人在研究g a n 晶 3 华南师范大学硕十研究生学位论文微波e c r 等离子体技术及制备g a n 薄膜研究 体生长的同时，对其热稳定性进行了研究，得出g a n 在h c i 或h 2 气氛下高温中呈现不稳 定特性，而在n 2 气下最为稳定。 1 1 3 g a n 的能带结构和光学特性 g a n 引起人们的广泛关注是由于它在紫外、紫、蓝、绿发光器件方面有巨大的应用前 景，因此很早人们就对g a n 的光学性质进行了深入的研究。g a n 基材料的禁带宽度可通 过固溶体的制备使其从1 8 9 e v ( i n n ) 至03 3 9 e v ( g a n ) 再到6 2 e v ( a 1 n ) 之间连续变化，相对应 于6 5 0 n m 到2 0 0 n m 波长的发光区，这个波段覆盖了从可见光区( 红、黄、绿、蓝) 到近紫 外区，因而既包括了整个可见区，又涵盖了紫外光区。3 3 9 e vg a n 的发光波长为3 8 0 n m 。 它们的直接禁带非常适合制作发光二极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 等光学器件。 1 9 6 9 年m a r u s k a 和t i e l j e n 等【1 3 】人首次精确测量到六方g a n 的室温直接禁带宽度为 3 3 9 e v 。不久，p a n k o v e 掣1 4 】人于1 9 7 0 年报道了低温m 6 k ) 下g a n 的p l 谱，在3 4 7 7 e v 处观测到强的近带边发光峰。1 9 7 1 年b l o o m 等人第一次采用赝势法精确计算到g a n 为 3 5 e v 的直接禁带结构，不久，b l o o m 等【1 5 】人又通过经验的赝势方法拟合实验反射数据获 得更加精确的能带结构。 1 1 4g a n 的电学特性 g a n 的电学特性是影响器件性能的主要因素。非故意掺杂的g a n 样品一般都存在较 高的n 型本底载流子浓度( 1 0 1 8 1 0 1 9 c m 3 ) ，一般认为这是由于氮空位引起的。在m o c v d 技术中引入缓冲层后，未有意掺杂的g a n 的载流子浓度可降至1 0 1 5 c m 3 ，等离了激活m b e 的结果为8 1 0 1 3 c m 3 ，用磁控溅射法获得n = 8 4 x 1 0 1 4 c m 3 的结果【1 6 1 。g a n 的n 型掺杂比较容 易，掺杂剂可以是s i 和g e ，可获得的电子浓度范围分别为1 0 1 7 c m - 32 x 1 0 1 9 c m 。3 和 7 x 1 0 1 6 c m - 3 1 0 1 9 c m 。3 【1 7 1 。g a n 的p 型掺杂较为困难，一般情况下所制备的p 型样品都是高 补偿的，且使用镁或炭对g a n 进行掺杂时得到的都是高阻材料。直到1 9 8 9 年，h a i l a n 等【1 8 】人发现，用低能电子束辐照( l e e b i ) 处理掺m g 的高阻g a n 薄膜，使其变为导电的 p 型g a n 后，才能获得高空穴浓度的p 型g a n 。这种p 型g a n 中的空穴浓度可达8 1 0 1 8 c m 一。 1 9 9 2 年s n a k a m u r a 采用在真空中或n 2 保护下将g a n 进行热退火的方法，成功地获得了 低阻p 型g a n l l 9 】。g a n 有较高的迁移率，其中中村报道了g a n 最高迁移率数据在室温和 液n 2 温度下分别为n = 6 0 0 c m 2 v s 和n = 1 5 0 0 c m 2 n s ，相应的载流了浓度为n = 4x 1 0 1 6 e r a 3 4 华南师范大学硕上研究生学位论文 微波e c r 等离子体技术及制备g a n 薄膜研究 和n = 8x 1 0 1 5 c m 3 【2 0 1 。 1 2 g a n 材料的应用 g a n 材料优异的特性决定其广阔的应用前景，p - g a n 掺杂和外延衬底问题的解决，进 一步促进了g a n 器件的发展。利用g a n 材料体系，可以制备蓝、绿光l e d ，蓝紫、紫外 光l d ，以及高频、大功率电子器件以及紫外( u 光探测器。氮化镓基器件应用主要有两 大类：电子器件和光电子器件。 电子器件方面：g a n 基电子器件的应用领域极为广泛，有望在航空航天、高温辐射环 境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子等方面发挥重用作用。我们可以用g a n 基 材料制作如下一些电子器件： 1 高温、大功率及恶劣环境下工作的电子器件。它有如下应用场合：核反应设备、航 天航空、石油勘探、汽车引擎、电机等。 2 高速及微波器件。如h b t ( 异质结双晶体管) 。 3 电荷耦合器件( c c d ) 及动态随机存取器( d r a m ) 。 4 其他电子器件( 如表面声波器件s a w ) 。 光电子器件方面：g a n 材料系列是一种理想的短波长发光器件材料。首先，随着合金 组分的改变，其禁带宽度可以从i n n 的1 9 e v ，连续变化到g a n 的3 4 e v ，再到a 1 n 的6 2 e v ， 这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围。其次，它们是直接带隙半导体材料，不 存在波矢动量守恒问题。因此，能以带间跃迁的方式获得高效的辐射复合。 1 蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、水下通讯、全光显示、生物医学仪器和激 光打印机领域有巨大的应用市场，因而成为g a n 器件首先实现的目标。随着高亮度a i g a l n p 红光l e d 和g a l n n 蓝、绿光l e d 的商品化，可见光l e d 的应用领域已经由室内扩展到 了室外，由单色的显示发展为彩色显示，主要在三大领域获得广泛的应用【2 1 】： ( a ) 高亮度蓝光l e d 的商品化使动态信息显示平板实现全色显示。 ( b ) 以高亮度l e d 取代传统的信号指示灯。 ( c ) 照明光源实现固体器件化半导体灯：全色超高亮度l e d 的商品化带来了照明 技术上的一场革命。 2 蓝色激光器方面：为什么人们热衷于研究开发波长0 4 , u m 带的蓝色半导体激光器呢? 可以认为有以下理由【2 2 1 因为光存储器的记录密度和波长的二次方成正比，所以希望光波 5 华南师范大学硕上研究生学位论文微波e c r 等离子体技术及制各g a n 薄膜研究 尽可能短。第一代d i g i t a lv i d e o ( v e r s a t i l e ) d i s k ( d v d ) 的波长是从0 6 5 t m 开始的，但用这个 波长现在还不能用d v d 来全部代替录像带，因此还是希望得到0 4 m 带的激光。 ( a ) 光存储器所需要的光器件及光盘材料的透明程度在波长小于0 私m 时急剧下降， 从实用的角度来看，这个波长带将成为可能使用的最短波长。 ( b ) 蓝色光为r 、g 、b 三基色之一的重要光源。 ( c ) 激光和l e d 等作用在照明和信号中被大量使用时，材料的安全性将成为问题。使 用g a n 相对来讲可以避免这个问题。 ( d ) 作为照明用的光源有发光效率和生产成本等问题。采样面发射器是解决办法之一。 3 紫外探测器：i i i v 材料还特别适合制作紫外探测器。由于g a n 材料在3 6 5 n m ( 紫外 光) 波段具有很锐的截止响应特性，因此降低了对滤波器的要求，这使得g a n 基的光探测 器能够在不受长波长辐射的影响下，在紫外光波段监测太阳台区( s o l a r b l i n d ) 的特性。a p a 光学公司已经在1 9 9 8 年1 月底推出了第一批g a n 基探测器。g a n 基光探测器的潜在应用 主要包括火焰传感、臭氧监测、污染监测、血液分析、水银灯消毒监控、激光探测器和其 它要求具有太阳盲区特性方面的应用。目前a p a 光学公司已经向市场推出商品化的g a n 基u v 探测器系列，并借助于其在g a n 基f e t 器件领域的领先技术，正在开发探测器h t 混合器件，以用于工作温度高达2 0 0 3 0 0 。c 的火焰传感器【矧。 虽然目前还存在一些影响产业化的问题，如第一，成本太高，因为当前商品化的g a n 基光电子器件大部分采用m o c v d 技术，g a 源成本昂贵，g a n 基发光二极管( l e d ) 仍无法 替代传统的照明系统；第二，g a n 单晶至今未形成大规模商品化，主要是缺乏合适的衬底 材料，蓝宝石也不是理想的衬底，且价格昂贵，s i 衬底仍然是国内外追求的理想衬底，但 需要解决一些技术问题；第三，虽然p 型掺杂技术已经突破，但掺杂工艺复杂，难以操作。 以上3 个问题是当前国际上争相研究的焦点问题【矧。但是由于g a n 材料系列的诱入应用 前景及大量的科研投入，这些问题将会逐步得到解决，并将有力地推动微电子及光电子技 术的发展。 1 3 g a n 薄膜的生长技术 制备高质量的g a n 体单晶和薄膜单晶材料是研究开发i i i 族氮化物发光器件，电子器 件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。尽管人们对于g a n 体单晶的生长进行了不少积 极的探索，但是由于g a n 在高温生长时氮的离解压很高，很难得到大尺寸的g a n 体单晶 6 华南师范大学硕_ j 研究生学位论文 微波e c r 等离子体技术及制备c a n 薄膜研究 材料，所以目前g a n 材料主要还是通过在异质衬底上外延生长的，这些衬底主要包括蓝宝 石( a 1 2 0 3 ) ，碳化硅(