玻璃衬底上低温沉积GaN薄膜及其特性分析

论文摘要

氮化镓（GaN）属于Ⅲ-Ⅴ族直接带隙半导体,具有纤锌矿晶体结构,室温下的禁带宽度为3.39eV,是新一代宽禁带半导体材料,具有广泛的应用。首先,GaN可制成高效蓝、绿光发光二极管（LED）和激光二极管（LD）等光电子器件。同时,GaN基半导体材料具有电子漂移饱和速度高、热导率高以及化学和热稳定性好等特点,因此在高温、高频及大功率电子器件中也有着重要应用价值,如GaN基场效应晶体管（FET）和GaN基异质结双极型晶体管（HFET）等微电子器件。而由于缺乏高质量大面积的体单晶衬底材料,目前大多采用蓝宝石（α-Al2O3）或碳化硅（SiC）为衬底来异质外延GaN,但薄膜尺寸较小,一般直径不超过50mm,而且价格昂贵。2007年,澳大利亚BluGlass公司在直径150mm玻璃衬底上沉积的GaN发出蓝光,这说明可以在大尺寸玻璃片上沉积高质量LED材料,从而使得LED成本显著下降。同时表明,要实现大面积且低成本的LED光电子器件的商业化,普通玻璃衬底是其首选材料之一。在普通玻璃衬底上沉积GaN薄膜,不仅成本低,而且可实现大面积化。为了实际应用,必须首先在非晶的玻璃衬底上低温沉积出高质量的GaN薄膜。目前GaN的制备方法主要有物理方法和化学方法。物理方法包括各种蒸发和溅射:化学方法主要包括分子束外延（MBE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）等。在诸多方法中,由于MOCVD方法具有实验参数简单,工艺成熟,制备的薄膜质量高,较适合大规模工业化生产等特点,受到人们的重视。本文采用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）方法,以康宁7101型普通玻璃为衬底,三甲基镓（TMGa）为镓源（以氢气为载气）,高纯氮气（纯度为5N）为氮源,低温沉积了c轴择优取向GaN薄膜。实验中使用微波,通过电子回旋共振（ECR）在低气压下产生氮等离子体来获得活性氮源,大大降低了沉积温度。另外,由于玻璃的软化点比较低（＜600℃）,实验中的沉积温度需要控制在600℃以下。通过反射高能电子衍射（RHEED）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、室温霍尔（Hall）测量和光致发光（PL）谱,研究了沉积温度、氮气流量、Ⅴ/Ⅲ对GaN薄膜结构、表面形貌、电学特性和光学特性的影响,得出了普通玻璃衬底上沉积GaN薄膜的适宜工艺参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 GaN的物理性质
• 1.2 GaN的化学性质
• 1.3 GaN的电学性质
• 1.4 GaN的光学性质
• 1.5 衬底材料的选择
• 1.5.1 常规衬底选择
• 1.5.2 廉价衬底选择
• 1.6 GaN的应用
• 1.6.1 微电子器件
• 1.6.2 光电子器件
• 1.7 本章小结
• 2 GaN薄膜外延生长方法和影响薄膜外延的因素
• 2.1 GaN薄膜的外延生长方法
• 2.1.1 氢化物气相外延（HVPE）
• 2.1.2 分子束外延（MBE）
• 2.1.3 金属有机物化学气相沉积（MOCVD）
• 2.2 影响GaN薄膜结构和成核的因素
• 2.2.1 衬底温度
• 2.2.2 反应源流速
• 2.2.3 微波功率
• 2.2.4 衬底材料
• 2.2.5 反应室真空度
• 2.3 本章小结
• 3 实验过程和分析方法
• 3.1 实验设备
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 电子回旋共振-等离子增强金属有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）
• 3.1.3 ESPD-U的总体结构及特征
• 3.2 样品的制备
• 3.2.1 衬底准备
• 3.2.2 实验设计
• 3.2.3 实验步骤
• 3.3 薄膜的表征
• 3.3.1 反射高能电子衍射（RHEED）
• 3.3.2 X射线衍射（XRD）
• 3.3.3 原子力显微镜（AFM）
• 3.3.4 霍尔（Hall）效应
• 3.3.5 光致发光（PL）谱
• 3.4 本章小结
• 4 结果与讨论
• 4.1 不同沉积温度下GaN薄膜的性能分析
• 4.1.1 GaN薄膜的制备参数
• 4.1.2 结果与分析
• 4.1.2.1 沉积温度对GaN薄膜结晶特性的影响
• 4.1.2.2 沉积温度对GaN薄膜表面形貌的影响
• 4.1.2.3 沉积温度对GaN薄膜的电学性能的影响
• 4.1.3 小结
• 4.2 不同氮气流量下GaN薄膜的性能分析
• 4.2.1 GaN薄膜的制备参数
• 4.2.2 结果与分析
• 4.2.2.1 氮气流量对GaN薄膜结晶特性的影响
• 4.2.2.2 氮气流量对GaN薄膜表面形貌的影响
• 4.2.2.3 氮气流量对GaN薄膜的电学性能的影响
• 4.2.2.4 氮气流量对GaN薄膜的光学性能的影响
• 4.2.3 小结
• 4.3 不同Ⅴ/Ⅲ下GaN薄膜的性能分析
• 4.3.1 GaN薄膜的制备参数
• 4.3.2 结果与分析
• 4.3.2.1 Ⅴ/Ⅲ对GaN薄膜结晶特性的影响
• 4.3.2.2 Ⅴ/Ⅲ对GaN薄膜表面形貌的影响
• 4.3.2.3 Ⅴ/Ⅲ对GaN薄膜电学特性的影响
• 4.3.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢