MOCVD生长GaN的表面形貌及缺陷研究

采用自制MOCVD和ThomasSwanMOCVD以Al2O3为衬底对GaN生长进行了研究.利用光学显微镜获得了GaN外延膜表面形貌随Si、Mg掺杂量不同的变化规律以及表面缺陷等信息.研究表明,随掺Si量增大,GaN外延膜的表面变粗糙,结晶品质下降.在电子浓度达2×1019cm-3以上时,GaN外延膜表面出现龟裂.对GaN进行Mg掺杂,外延膜表面出现岛状突起,且随Mg掺杂量增大,岛状突起数目增多.观察到了MOCVD生长的GaN的六角状岛、龟裂、条状缺陷等典型缺陷.     

MOCVD生长非故意掺杂GaN/Si薄膜的电阻率控制研究

本文采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在Si(111)衬底上生长了非故意掺杂GaN薄膜。高分辨率X射线衍射(HRXRD)和Lehighton非接触面电阻测量系统用来表征GaN外延层的质量和面电阻(Rs)。通过计算HRXRD测量得到的GaN(0002)和(10-12)半高宽(FWHM),估算了GaN外延层中的线性位错密度(TDD)。GaN外延层的Rs和TDD之间的关系被研究。下面GaN初始层生长条件,包括载气种类(H2或N2)、生长温度和生长压力,对上面GaN外延层的影响被讨论和分析。我们认为H2作为载气能提高GaN质量,减少GaN外延层中的TDD,并由于其活泼的化学特性,能通过还原反应去除GaN外延层中的O和C等杂质。另外,下面GaN初始层在低温和高压下生长,更有助于提高GaN质量和减少TDD。下面GaN初始层通过在H2载气、低生长温度(1050℃)和高生长压力(400mba)下外延生长,上GaN外延层的电阻率得到了提高。     

AlN/GaN分布布拉格反射器反射率的研究

从理论上推导出分布布拉格反射器(DBR)反射率的计算公式,分析了GaN基材料DBR反射率与单层膜折射率、多层膜的对数、单层膜的厚度等的关系,发现20对AlN／GaN构成的1／4波长。DBR的反射率在中心波长410nm下达到了0．9995,分析了DBR反射率随单层厚度波动的影响,并发现随着正偏差的增大,最大反射率对应的波长增大．相同对数AlN／GaN多层膜的反射率比MGaN／GaN多层膜的反射率大,因此,AlN／GaN比AlGaN／GaN更适合做反射器。     

多弧离子镀制备TiN／AlN纳米多层膜及其超硬效应

采用多弧离子镀技术在高速钢表面制备TiN/AlN纳米多层膜,并对 TiN/AlN纳米多层膜的表面形貌、调制机构进行表征.通过对薄膜显微硬度的测试发现,纳米多层膜的显微硬度明显高于TiN 或AlN单层薄膜的显微硬度,具有明显的超硬效应.对比试验表明,TiN/AlN纳米多层膜涂层刀具比TiN 涂层刀具具有更长的使用寿命.     

一种铁电超晶格的制备及其性能分析

采用射频磁控溅射工艺,制备了三周期铁电超晶格[PZT/LNO]3/Si。对周期结构样品的结晶取向、表面形貌、电滞回线、反射光谱、膜厚等特性的一系列测试分析显示,制备的样品表面较平整,颗粒尺寸均很小,晶格匹配可以诱导择优取向,铁电性能优于单层膜;对光产生了干涉效应,可作为信息存储与传播材料,亦可应用于非制冷红外焦平面器件。     

磁控溅射制备AlN过渡层ZnO薄膜及其性能研究

大量研究表明ZnO薄膜已在气敏器件、表面声波器件和压敏器件等方面得到较为广泛的应用。由于Si与ZnO的晶格常数及热膨胀系数的失配度均很大,难以实现高质量ZnO薄膜的外延生长,采用中间缓冲层是一种值得研究的工艺。由于AIN的晶格结构与ZnO相同,所以可作为生长高质量ZnO薄膜的缓冲层,并改善ZnO/AlN界面结构。实验采用射频磁控溅射制备了ZnO/AlN双层膜,研究了薄膜的结构和形貌。结果表明,相比于相同工艺下制备的ZnO/Si薄膜,双层膜的生长取向依然是(002),应力减小,结晶质量更好。     

无电极光助化学腐蚀法制备GaN微/纳米结构及其物性研究

利用K2S2O8作为氧化剂,通过无电极光助化学腐蚀GaN外延层制备多种形貌的GaN微米/纳米结构.采用扫描电子显微镜(SEM)、阴极射线发光图(CL mapping)、高分辨X射线衍射(HRXRD)、拉曼光谱(Raman spectra)和光致发光谱(PL)等先进的表征手段研究腐蚀样品的形貌、晶体结构和光学性质.结果表明:在高浓度的KOH(1 mol/L)和低强度的紫外光照下,腐蚀出高质量的腐蚀坑、微米/纳米柱和纳米线;在低浓度KOH(0.4 mol/L)和高强度的紫外光照下,制备出GaN棱锥,研究发现此微米/纳米锥体阵列为包裹了位错的GaN晶体.在腐蚀液KOH浓度低至0.1 mol/L时,GaN腐蚀样品表面形成大量的晶须,聚集成束,晶须揭露了位错;并探讨了多形貌微米/纳米GaN的形成机理.腐蚀温度和GaN外延层极性对腐蚀形貌也具有明显的影响.     

氮化衬底对MOCVD生长GaN的影响

采用MOCVD生长技术以Al2O3为衬底对GaN生长进行了研究．用霍尔测量技术、光致发光技术以及光学显微镜测量了GaN的电学性能、光学性能以及表面形貌．研究表明，GaN低温缓冲层生长之前的氮化衬底工艺对GaN外延层表面形貌、发光性能、电学性能有显著影响．合适的氮化衬底条件可得到表面形貌、发光性能和电学性能均较好的GaN外延膜．研究表明长时间氮化衬底使GaN外延膜表面粗糙的原因可能是由于氮化衬底影响了后续高温GaN的生长模式，促使GaN三维生长所导致的．     

GaN外延膜厚度的X射线双晶衍射测量

提出了一种利用X射线双晶衍射测量GaN厚度的新方法. 该方法采用GaN积分强度和衬底积分强度的比值与样品厚度的关系来测量GaN外延膜厚度, 此比值与GaN样品厚度在t <2 μm为线性关系. 该方法消除了因GaN吸收造成的影响, 比单纯用GaN积分强度与样品厚度的关系推算GaN外延膜厚度精度更高, 更方便可靠.     

Ge+注入Si1-x Gex/Si异质结的退火行为

在注入能量为100keV时,将注入剂量为5.3×1016/cm2的Ge 注入(001)SIMOX硅膜中制备Si1-xGex/Si异质结;然后,对样品进行碘钨灯快速热退火,退火温度为700～1 050℃,退火时间为5～30 min.对样品的(004)和(113)面X射线衍射数据进行计算和分析,得出退火温度为1 000℃、退火时间为30 min为最佳退火条件.在此退火条件下,假设固相外延生长为赝晶生长,90%的注入Ge 位于替代位置,若同时考虑应变弛豫,则位于替代位置的Ge 达到理论最大值的82%,共格因子为0.438.由于高剂量Ge 注入引起表面晶格损伤严重以及应变弛豫释放的位错和缺陷,因此,表面结晶质量不太理想.     

磁控溅射生长AlN钝化层的研究

测得AlN和Si3N4介质钝化后的AlGaN/GaN异质结的高频C-V（电容-电压）曲线,由此计算钝化层与AlGaN势垒层界面电荷面密度,发现AlN钝化层与势垒层界面的电荷面密度较Si3N4更大,同时AlN钝化层薄膜含有的可移动离子数目更多.根据I-V（电流-电压）曲线讨论了用磁控溅射技术生长的AlN钝化薄膜质量,发现AlN薄膜绝缘性不够好,可能是在室温磁控溅射生长过程中从靶材溅射出的Al原子未能与N2充分反应,导致沉积的AlN薄膜不够致密,含有的电子隧穿通道多.因此可改善反应条件以提高AlN薄膜质量.     

圆锥形图形化蓝宝石衬底对MOCVD生长GaN外延膜的位错密度和应力应变影响

通过金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）方法在2．5μm×1．6μm×0．5μm圆锥形图形化蓝宝石衬底（CPSS）和没有图形化平面蓝宝石衬底（uss）上生长GaN外延膜．高分辨率X射线衍射仪（HRXRD）测试结果表明,生长在CPSS上GaN的刃位错的密度比生长在USS上GaN的刃位错密度低得多;从透射电子显微镜（TEM）观察,CPSS可有效地减小GaN外延膜中的线位错密度;拉曼散射谱显示通过CPSS可有效地减小GaN外延膜中的残余应力;比较两种外延膜中的光致发光谱（PL）,能从生长在CPSS上GaN外延膜中观察到强而尖的带边发射．以上结果表明：生长在CPSS上GaN外延膜的质量高于生长在USS上GaN外延膜的质量．     

Cr掺杂浓度对ZnO基稀磁半导体生长结构的影响

采用射频磁控溅射设备在本征抛光Si(100)衬底上沉积Cr掺杂ZnO薄膜,分析不同掺杂浓度对薄膜的生长结构的影响.分别用XRD、SEM和XRF来表征薄膜的晶相结构、表观形貌和掺杂浓度.实验结果表明,掺杂浓度为2.10%的Zn1-xCrxO薄膜,出现了更好C轴取向性,衍射峰半高宽较窄,样品表面平滑致密,晶粒较大为3.555 nm.     

AP-MOCVDGaN材料生长特性

研究低温生长GaN过渡层（缓冲层）在AP－MOCVD生长GaN材料过程中的作用，探讨了过渡层的生长温度、时间、氮化时间等参数对GaN材料晶体质量的影响，通过对过渡层的特性参数的分析、优化，获得了X射线双晶衍射半峰宽为6’的GaN外延层．     

采用高分辨XRD确定AlxGa1-xN／GaN异质结的应变状态

利用高分辨X射线衍射方法,分析了采用金属有机物汽相沉积生长的AlxGa1-xN／GaN薄膜的晶体结构和应变状态。通过（002）和（105）面的倒易空间映射,分析获得AlxGa1-xN／GaN外延层的应变程度,并且计算了不同A1组分的AlxGa1-xN／GaN在倒易空间图上的弛豫方向;同时利用Vegard原理,推导了在双轴应变下A1组分的计算方程式,得出完全应变情况下A1组分为30％,与卢瑟福背散射实验结果比较符合。     

Al2O3衬底上低温生长GaN薄膜的一种新方法

研究了 ECR- PAMOCVD在蓝宝石衬底上生长 Ga N外延层时衬底的清洗方法和缓冲层结构对于 Ga N晶体质量的影响 ,提出了新的衬底清洗方法和双缓冲层结构 .实验表明这种方法能够提供一个很好的生长基底 ,可以有效地改善 Ga N外延层的晶体质量     

多层膜样品的背散射/沟道、溅射剥层/背散射和二次离子质谱分析

用背散射／沟道、溅射剥层／背散射和二次离子质谱方法分析了分子束外延生长的Si/GexSi1-x多层膜。由2MeV^4He^ 离子背散射／沟道分析，确定了外延生长薄膜的厚度、组分和晶格结构的完美性；用低能Ar^ 离子溅射剥层，减薄样品外延层厚度后，再做背散射分析，可获得有关较深层薄膜与基体界面和溅射剥层的信息；二次离子质谱分析清晰地显示出溅射剥层前后样品的交替层周期性结构。     

闪锌矿结构GaN,AlN和合金Ga1—xAlxN光学性质计算

闪锌矿结构ＧａＮ、ＡｌＮ和合金Ｇａ１－ｘＡｌｘＮ光学性质计算何国敏王仁智郑永梅（厦门大学物理学系厦门３６１００５）随着人们对发光二极管和半导体激光器等光电器件的深入研究,工作于蓝紫波段的半导体材料受到普遍的重视．宽带隙半导体ＧａＮ和ＡｌＮ正是目前蓝紫...     

GaAs/InP异质材料及MESFET器件研究

用低压金属有机气相外延（LP－MOCVD）在InP衬底上生长出较高质量的GaAs材料，并对材料进行Raman、光致发光（PL）谱的测试分析，结果表明在GaAs／InP外延层中存在伸张应力致使Raman的LO模式的频率红移；PL谱峰较强，16K下测到GaAs的特征激子峰和杂质相关的激子峰，表明了GaAs外延层的晶体质量较好。以此生长方法制备了金属－半导体场效应晶体管（MESFET），其单位跨导可达200ms/mm。该器件已经达到GaAs同质结构的器件水平。     

HVPE异质外延GaN的函数控制方法研究

提出新的生长控制方式“函数控制方法”并将其应用到HVPE异质外延GaN中。函数控制方法是指外延生长参数随时间按照特定函数变化来实现生长控制的方式。采用函数控制方法设计了两个实验方案, 解决了HVPE获得GaN衬底面临的两个主要问题。1) 异质外延高质量无裂纹GaN厚膜的实验方案: 生长条件按照渐变函数变化保证了外延材料质量的稳定性和应力释放的均匀性, 生长条件按照周期函数变化将材料的厚膜外延问题转化为薄膜外延问题。2) GaN厚膜的自分离实验方案: 生长条件按照跃变函数变化实现了在外延材料特定位置形成弱连接层, 生长条件按照渐变函数变化实现了弱连接层两侧出现较大应力差, 这种应力差在生长结束后的降温过程中得到进一步放大, 进而实现外延材料在弱连接层处的自分离。结合以上两个实验方案, 成功获得无色透明表面平整光滑1 mm厚的高质量GaN衬底, 证明了函数控制方法的有效性。借助于生长参数规律化的函数变化, 函数控制方法建立了材料性质和数学函数之间的对应和联系, 丰富和发展了材料的生长控制方式。