论文部分内容阅读
GaN基宽禁带半导体材料是目前发展高温、高频、大功率电子器件的最重要也是最基本的结构，深受国际上的关注。因此，GaN和AlxGa1-xN/GaN异质结构材料的研究已成为当前半导体科学技术的前沿领域和热点。本文结合GaN基材料的金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长，系统地研究了高阻GaN外延薄膜中位错等微结构缺陷的性质以及高阻的形成机制，研究了低温AlN插入层对A1x-Ga1-xN外延薄膜的表面形貌和微结构性质的影响及其机理，同时研究了GaN外延薄膜中不同类型的位错腐蚀坑的形貌和微结构性质及位错坑的起源和形成机理。主要结果如下：
(1)通过改变MOCVD生长过程中成核层退火阶段的反应室压力，成功地生长出了自补偿的高阻GaN外延薄膜，最高方块电阻超过1011Ω/sq。利用XRD，AFM和TEM对不同阻值的GaN薄膜的表面形貌、位错密度和形貌进行了研究。确认了GaN薄膜中不同的位错形貌起因于生长过程中不同的GaN成核层退火压力。对于高阻GaN外延生长，由于GaN成核层退火压力低，成核岛的尺寸较小，密度较高，因此成核岛间距很小，只能沿着垂直方向生长，导致位错最终都是平行于c方向延伸至GaN表面。反之，对于低阻GaN外延生长，由于成核层退火压力较高，成核岛的尺寸较大，密度较低，因此成核岛之间间距较大，有足够的空间横向生长，导致位错绝大部分发生弯曲和相互作用。对于GaN高阻的形成原因，除了一致认为的n型背景载流子的补偿作用，刃型位错对蓝宝石衬底中氧杂质向GaN中扩散的限制也起了一定作用。
(2)研究了MOCVD生长过程中低温AlN插入层对Al0.3Ga0.7N外延层表面形貌和微结构的影响。AFM结果表明低温AlN插入层可以有效改善Al0.3Ga0.7N外延层的表面形貌。TEM结果显示随着AlN插入层厚度增加到20nm，Al0.3Ga0.7N层中位错密度降低约1个数量级。进一步研究确认，随AlN插入层厚度增加，Al0.3Ga0.7N层中位错密度的大幅降低归因于刃型位错的大量减少，而螺型位错却相对增加。经过分析提出了低温AlN插入层对AlxGa1-xN外延层中微结构性质影响的机制：AlxGa1-xN外延层中刃型位错密度的变化主要取决于两种机制的相互制约，一方面，低温AlN的插入为刃型位错的终止提供了一个界面，另一方面，由于AlN与AlxGa1-xN仍然存在晶格失配，会在AlxGa1-xN外延层中引入新的位错，低温AlN插入层对AlxGa1-xN层中的应力的调制也会影响刃型位错的形成。在MOCVD生长过程中，当AlN插入层厚度达到40nm时发现Al0.3Ga07N/AlN界面附近刃型位错大量倾斜，大量具有相反伯格斯矢量的刃型位错相互作用，湮灭在Al0.3Ga0.7N外延层内。我们认为AlN和AlxGa1-xN的晶格常数的差异所导致的AlxGa1-xN外延层的压应变可能是导致位错纠结湮灭现象的主要原因，对于这一机制有待于进一步研究。
(3)利用熔融KOH对MOCVD生长的GaN外延薄膜进行了腐蚀，然后利用AFM，SEM和TEM研究位错坑的微结构和形成机理。通过SEM和AFM实验研究确认存在三种不同类型(α，β和γ)的位错腐蚀坑。通过TEM观察证实了α，β和γ型位错腐蚀坑分别起源于螺型位错，刃型位错和混合型位错。对于螺型位错，腐蚀较容易沿着由螺型位错终止的台阶进行下去，从而会形成一个Ga极性的平面阻止垂直方向的进一步腐蚀，因此α型位错腐蚀坑是倒置的被削去顶端的六角锥形。对于刃型位错，由于沿着位错线的每个原子都有一个活跃的悬挂键，所以较容易沿着位错线进行腐蚀，因而β型的位错腐蚀坑是倒置的六角锥形。由于混合型位错同时具有螺型分量和刃型分量，混合型位错的腐蚀过程就是螺型位错和刃型位错腐蚀过程的结合，所以γ型腐蚀坑上半部是倒置的被削去顶端的六角锥形，下半部是倒置的六角锥形。此外，在腐蚀过程中，Ga极性面的化学稳定性对不同类型的位错腐蚀坑的形成和形貌有重要影响。