GaN薄膜结构的高分辨X射线衍射表征及其电学特性分析

论文摘要

Ⅲ-Ⅴ族氮化物GaN因其具有宽禁带半导体材料的典型优点而在光电器件、光探测器、新颖高性能微电子器件等领域得到广泛应用,成为目前国际上半导体技术发展的热点。然而由于GaN材料性质特殊,高质量高性能GaN薄膜的获得存在困难,GaN的高效掺杂仍然不易实现,掺杂条件与GaN薄膜结构及电学特性都有着较为复杂的关系,一些重要的相关物理现象和具体机理仍不是很明确,这在一定程度上阻碍了GaN材料应用的快速发展。因此,对GaN薄膜进行相关方面的进一步研究有其必要性和重要性。本文首先在引言部分对GaN薄膜的应用背景、制备方法以及GaN薄膜结构与电学特性关系的研究现状进行了评述。基于此,提出了本文的选题依据,即研究GaN薄膜结构及其与电学特性的关系是基于“GaN薄膜的重要应用背景和结构对其电学特性的可能影响以及目前此方面相关研究的不足”。随后对目前常用的GaN薄膜研究方法进行了回顾与比较,由于X射线衍射的无损检测特性以及较准确全面的表征特性,选择了X射线衍射作为GaN薄膜表征的主要手段。本文的重点是利用高分辨X射线衍射技术的多种测试方法对Mg原位掺杂p型GaN、Si离子注入n型GaN、高Al组分AlGaN的薄膜结构进行了表征,并对薄膜内的应变、位错、杂质及损伤缺陷等因素对薄膜结构的影响以及结构与电学特性之间的关系做了细致的讨论。在对Mg掺杂p型GaN的研究中发现,除热应力之外,Mg的激活行为及自补偿效应会直接影响到GaN薄膜中的外延应变。在对Si离子注入n型GaN的研究中发现,离子注入对GaN薄膜带来的损伤随注入剂量增大而趋复杂化,当注入剂量在1×1015cm-2到1×1016cm-2之间（注入能量为100eV）时有损伤导致的无定形层在近表面区域产生,升高RTA温度对提升电学激活率及载流子迁移率有显著效果,但注入剂量与电学激活率的关系有待进一步确证。在对高Al组分AlGaN的研究中发现由于晶格匹配的关系AlN模板层比GaN模板层更有利于生长高质量的高Al组分AlGaN外延层。这些研究结果进一步充实了GaN薄膜结构及其与电学特性关系的研究内容。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 背景
• 1.2 GaN的物理性质
• 1.3 GaN的应用
• 1.4 GaN的制备方法
• 1.4.1 生长工艺
• 1.4.2 金属有机化学气相沉积法（MOCVD）
• 1.5 GaN薄膜技术的发展
• 1.5.1 外延生长
• 1.5.2 GaN的掺杂
• 1.5.2.1 掺杂方式
• 1.5.2.2 p型掺杂
• 1.5.2.3 n型掺杂
• 1.5.3 薄膜结构与电学特性的研究
• 1.5.3.1 研究现状
• 1.5.3.2 主要研究方法
• 1.6 本论文的选题依据和主要内容
• 1.6.1 选题依据
• 1.6.2 本文的研究内容
• 第二章 实验平台构建
• 2.1 实验仪器简介
• 2.2 半导体外延单晶薄膜的高分辨X射线衍射表征方法及原理
• 2.2.1 双晶衍射与三轴晶衍射
• 2.2.2 实空间的布拉格衍射基本原理
• 2.2.3 倒易空间的基本原理
• 2.2.4 倒易空间的实验扫描模式
• 2.2.4.1 基本模式
• 2.2.4.2 倒易空间图（Reciprocal space mapping）
• 2.2.4.3 极图（Polar Map）
• 2.2.5 衍射实验的基本方法
• 2.2.5.1 对称衍射
• 2.2.5.2 非对称衍射
• 2.2.5.3 斜对称衍射
• 第三章 二次退火对Mg掺杂p-GaN外延应变、薄膜结构及电学特性影响的X射线衍射研究
• 3.1 背景
• 3.2 试样简介
• 3.3 外延应变测定及薄膜结构表征
• 3.3.1 实验实施
• 3.3.2 p-GaN薄膜的外延应变
• 3.3.2.1 外延应变的相对测量
• 3.3.2.2 外延应变的绝对测量
• 3.3.2.3 两种测量结果的比较及最后结果选取
• 3.3.3 二次退火对外延应变的影响
• 3.3.4 p-GaN外延层及其与模板层之间的应变梯度
• 3.3.5 p-GaN外延层的极图表征
• 3.3.6 p-GaN薄膜镶嵌结构的测量
• 3.3.6.1 双晶摇摆曲线测量
• 3.3.6.2 倾转角与扭转角测量
• 3.3.6.3 p-GaN中的位错密度
• 3.4 p-GaN的电学特性分析
• 3.4.1 外延应变对p型电学特性的影响
• 3.4.2 原位退火对p型电学特性的影响
• 3.4.3 位错对p型电学特性的影响
• 3.5 小结
• 第四章 Si离子注入n-GaN的薄膜结构与电学特性关系的X射线衍射研究
• 4.1 背景
• 4.2 试样简介
• 4.3 实验实施
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 Si离子注入对 GaN的损伤
• 4.4.2 离子注入剂量对损伤的影响
• 4.4.3 RTA对损伤的影响
• 4.4.4 电学特性分析
• 4.5 小结
• 第五章 高Al组分AlGaN的生长结构对其晶体质量影响的三轴晶X射线衍射分析
• 5.1 背景
• 5.2 试样简介
• 5.3 实验实施
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 AlGaN的 TAXRD扫描及 Al组分确定
• 5.4.2 AlGaN的外延质量表征
• 5.4.3 GaN、AIN模板层对 AlGaN外延质量的不同影响
• 5.5 小结
• 第六章 主要结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果