氧化物衬底上AlN薄膜的制备及对GaN薄膜的诱导生长研究

论文摘要

第三代宽禁带半导体材料具有击穿场强大、热导率高、载流子迁移率高、抗辐射能力强等特性，在发光二极管（LED）、激光二极管（LD）等光电器件以及高温、高频和大功率电子器件都有广泛的应用前景。在异质外延GaN薄膜时由于缺乏在晶格常数和热膨胀系数上相匹配的衬底材料，难以制备高质量的外延薄膜。因此人们开始研究与GaN具有相似结构，且化学和热稳定性较好的缓冲层材料来诱导生长高质量的GaN薄膜。AlN和GaN同属Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体，具有相同的晶体结构和稳定的物理化学性能，是外延GaN薄膜的理想缓冲层之一。本论文采用激光分子束外延（L-MBE）法在Al2O3和SrTiO3衬底上分别研究了不同结构的AlN缓冲层制备，并以其为缓冲层诱导生长了GaN薄膜。首先，在六方对称的蓝宝石Al2O3衬底上通过分析生长温度、脉冲激光能量和沉积频率等对AlN薄膜的结构和光学性能的影响，得到了在Al2O3衬底上制备AlN薄膜的优化条件：生长温度为650℃，激光能量为200mJ／pulse，激光频率2Hz。同时研究了AlN和Al2O3的匹配关系，发现AlN薄膜相对Al2O3衬底在面内旋转了30°，从而减少它们之间的晶格失配度，降低了界面能。它们之间的外延关系为：AlN[1-210]／／Al2O3[1-100]，AlN[1-100]／／Al2O3-[1-210]和AlN（0001）／／Al2O3（0001）。其次，在立方对称的SrTiO3（100）单晶基片上优化工艺条件，制备了（200）取向的立方AlN薄膜，实现了AlN薄膜在STO衬底上cube-on-cube的外延生长。研究发现：当温度较低时，AlN为多晶薄膜；随着温度的升高，AlN薄膜以层状模式外延生长。随着N2压强的增大，薄膜的结晶性能提高；当N2压强过高时，薄膜质量又会降低。激光能量为150mJ／pulse时，得到的是非晶薄膜；增大脉冲激光能量，得到立方AlN（200）取向的薄膜，结晶质量随着激光能量的增大而得到提高。XRD和RHEED进一步分析表明立方AlN和STO的外延关系为：AlN[010]／／SrTiO3[010]和AlN（100）／／SrTiO3（100），它们之间的晶格失配度为3．5％。最后，采用冷等静压的方法烧结了致密的GaN陶瓷靶，同时以不同结构的AlN作为缓冲层，分别诱导生长了外延的六方和立方GaN薄膜。XRD和RHEED分析表明：六方纤锌矿结构的GaN外延关系为GaN（0001）／／AlN（0001）／／Al2O3（0001），GaN[1-210]／／AlN[1-210]／／Al2O3[1-100]；立方闪锌矿GaN的外延关系为GaN（100）／／AlN（100）／／STO（100），GaN[010]／／AlN[010]／／STO[010]。h-GaN和c-GaN的外延衍射峰的半高宽FWHM分别为0．907°和0．053°，表面粗糙度RMS为0．442nm和2．518nm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体材料的研究现状
• 1.2.1 AlN薄膜的研究现状
• 1.2.2 GaN薄膜的研究现状
• 1.3 Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜的制备方法
• 1.4 论文选题及研究方案
• 第二章 薄膜制备和结构、性能表征方法和原理
• 2.1 激光分子束外延沉积（L-MBE）
• 2.1.1 L-MBE设备简介
• 2.1.2 L-MBE的沉积过程和特点
• 2.1.3 原位的反射高能电子衍射（RHEED）
• 2.1.3.1 反射高能电子衍射的原理
• 2.1.3.2 反射高能电子衍射的特点
• 2.1.3.3 反射高能电子衍射的条纹间距
• 2.1.3.4 反射高能电子衍射的应用
• 2.2 X射线衍射（XRD）
• 2.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.4 X射线光电子能谱仪（XPS）
• 2.5 薄膜的光学性能分析方法
• 2.5.1 光致发光谱（PL）
• 2.5.2 透光和吸收率分析
• 2O₃衬底上六方AlN薄膜的生长研究'>第三章 蓝宝石Al₂O₃衬底上六方AlN薄膜的生长研究
• 3.1 实验
• 2O₃薄膜的结构和性能的影响'>3.2 工艺参数对AlN/Al₂O₃薄膜的结构和性能的影响
• 2O₃薄膜的结构影响'>3.2.1 生长温度对AlN/Al₂O₃薄膜的结构影响
• 2O₃薄膜的性能影响'>3.2.2 生长温度对AlN/Al₂O₃薄膜的性能影响
• 3.2.2.1 光致发光（PL）谱分析
• 3.2.2.2 透射光谱（TR）分析
• 3.2.3 脉冲激光能量对AlN薄膜结构的影响
• 3.2.4 脉冲激光频率对AlN薄膜结构的影响
• 2O₃基片上AlN外延薄膜的微结构分析'>3.3 Al₂O₃基片上AlN外延薄膜的微结构分析
• 3.4 本章总结
• 3衬底上立方AlN薄膜的生长研究'>第四章 SrTiO₃衬底上立方AlN薄膜的生长研究
• 4.1 实验
• 4.2 工艺参数对AlN/STO薄膜的结构影响
• 4.2.1 生长温度对AlN/STO薄膜的影响
• 2压对AlN/STO薄膜的影响'>4.2.2 N₂压对AlN/STO薄膜的影响
• 4.2.3 脉冲激光能量对AlN/STO薄膜的影响
• 4.3 AlN薄膜表面组成分析
• 4.4 STO衬底上AlN外延薄膜的微结构分析
• 4.5 本章总结
• 第五章 AlN缓冲层对GaN薄膜的诱导生长研究
• 5.1 GaN陶瓷靶材的制备
• 5.2 AlN缓冲层诱导GaN薄膜的生长研究
• 5.3 本章总结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果