N面GaN外延薄膜生长研究

论文摘要

相比于Ga面GaN基外延材料,长期以来N面GaN基外延材料的表面形貌与结晶质量均很不理想。然而,通过研究人员的不懈努力,在2007年前后首次通过MBE及MOCVD在蓝宝石和C面SiC衬底上实现了较高质量的N面GaN基外延薄膜与HEMT器件。国内相关研究目前均处于起步阶段。本文的主要工作和研究成果如下:1.分析了不同应力和层结构下N面GaN/AlGaN异质结的自发极化与压电极化效应对异质结界面处极化电荷浓度σ（X）的影响,理论计算得到了由极化电荷感应出的2DEG的浓度nS（X）,阐述了AlXGa1-XN势垒层厚度及Al组分对2DEG的浓度的影响。2.根据大量实验并结合国外相关成果探究了MOCVD外延生长N面GaN过程中一些关键工艺对于晶体生长机理及薄膜质量的影响。并简要对比了实验样品晶体质量与同期国外领先水平的差距。还介绍了①XPS或热稳定性,②CBED,③表面重构、化学稳定性或CAICISS等判定GaN外延薄膜极性的方法。3.较为全面、系统的研究了N面GaN基材料中位错的形成、分布、生长方向及组成比例等问题,进而分析了位错对于载流子的输运、复合等行为造成重要影响;接着对N面GaN基材料体内的微观缺陷与宏观缺陷的形成机制及其对外延薄膜特性的影响做出了详细讨论。从生长机理入手,对比研究了衬底、成核层、极性对GaN外延薄膜面内应力的影响以及N面GaN外延薄膜面内压应力自调节效应。通过能带理论解释了N面GaN与Ga面GaN外延薄膜PL谱之间的差异;并通过XRD,SEM测量结果研究了在刻蚀的不同阶段N面GaN基材料IYL/IBE随刻蚀时间下降的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 N 面GaN 基材料的基本特性
• 1.1.1 原子排列结构
• 1.1.2 极化效应
• 1.1.3 杂质原子结合
• 1.1.4 欧姆接触
• 1.2 N 面GaN 基材料的制备及应用
• 1.2.1 N 面GaN 基材料的制备
• 1.2.2 N 面GaN 基材料的应用
• 1.3 N 面GaN 基材料的发展与瓶颈及展望
• 1.3.1 N 面GaN 基材料的发展
• 1.3.2 N 面GaN 基材料的瓶颈
• 1.3.3 N 面GaN 基材料的展望
• 1.4 N 面GaN/AlGaN 异质结特性
• 1.4.1 N 面GaN/AlGaN 异质结[14]
• 1.4.2 N 面GaN 基HEMT
• 1.5 本文研究的意义和主要研究内容
• 第二章 MOCVD 生长N 面GaN 基材料的研究
• 2.1 MOCVD 制备N 面GaN 初期关键工艺
• 2.1.1 衬底对N 面GaN 生长的影响
• 2.1.2 氮化对N 面GaN 生长的影响
• 2.2 成核层工艺参数对N 面GaN 特性的影响
• 2.2.1 组分对N 面GaN 特性的影响
• 2.2.2 温度对N 面GaN 特性的影响
• 2.3 外延层工艺参数对N 面GaN 特性的影响
• 2.3.1 生长温度对N 面GaN 特性的影响
• 2.3.2 生长厚度对N 面GaN 特性的影响
• 2.3.3 生长Ⅴ/Ⅲ对N 面GaN 特性的影响
• 2.4 N 面GaN 基材料极性的判定[57]
• 第三章 N 面GaN 基材料相关特性的研究
• 3.1 N 面GaN 基材料位错缺陷的研究
• 3.1.1 N 面GaN 基材料位错的研究
• 3.1.2 N 面GaN 基材料缺陷的研究
• 3.2 杂质对N 面GaN 基材料特性的影响
• 3.2.1 In，Si，Mg 故意掺杂
• 3.2.2 O，C，H 非故意掺杂
• 3.3 N 面GaN 基材料面内应力的研究
• 3.3.1 N 面GaN 与Ga 面GaN 外延薄膜面内应力的差异
• 3.3.2 N 面GaN 面内应力自调节效应
• 3.4 N 面GaN 基材料黄带成因的研究
• 第四章 结束语
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果