AlN缓冲层厚度对脉冲激光沉积技术生长的GaN薄膜性能的影响

在蓝宝石(Al2O3)衬底上应用脉冲激光沉积技术(PLD)生长不同厚度的AlN缓冲层后进行GaN薄膜外延生长。采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对外延生长所得GaN薄膜的晶体质量和表面形貌进行了表征。测试结果表明: 相比直接在Al2O3衬底上生长的GaN薄膜, 通过生长AlN缓冲层的GaN薄膜虽然晶体质量较差, 但表面较平整; 而且随着AlN缓冲层厚度的增加, GaN薄膜的晶体质量和表面平整度均逐渐提高。可见, AlN缓冲层厚度对在Al2O3衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。     

AlN缓冲层厚度对脉冲激光沉积技术生长的GaN薄膜性能的影响

在蓝宝石(Al2O3)衬底上应用脉冲激光沉积技术(PLD)生长不同厚度的AlN缓冲层后进行GaN薄膜外延生长。采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对外延生长所得GaN薄膜的晶体质量和表面形貌进行了表征。测试结果表明:相比直接在Al2O3衬底上生长的GaN薄膜,通过生长AlN缓冲层的GaN薄膜虽然晶体质量较差,但表面较平整;而且随着AlN缓冲层厚度的增加,GaN薄膜的晶体质量和表面平整度均逐渐提高。可见,AlN缓冲层厚度对在Al2O3衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。     

使用溅射AlN成核层实现大规模生产深紫外LED

高质量AlN薄膜对制造高性能深紫外器件非常重要,但是目前还很难使用大型工业MOCVD生长出高质量的AlN薄膜.采用磁控溅射制备了不同厚度的用作成核层的AlN薄膜,使用大型工业MOCVD直接在成核层上高温生长AlN外延层,研究了不同成核层对AlN外延层质量的影响.通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对成核层AlN薄膜的表面形貌进行表征;使用高分辨X射线衍射仪对AlN外延层晶体质量进行表征,结果表明:在溅射成核层上生长的AlN外延层的晶体质量有显著提高.使用大型工业MOCVD在蓝宝石衬底上成功制备出中心波长为282 nm的可商用深紫外LED,在注入电流为20 mA时,单颗深紫外LED芯片的光输出功率达到了1.65 mW,对应的外量子效率为1.87%,饱和光输出功率达到4.31 mW.     

蓝宝石图形衬底上利用AlN缓冲层生长高质量GaN

在图形化衬底上以AlN作为缓冲层生长高质量的GaN薄膜,国内相关的报道较少。通过引入两步缓冲层生长方法,在蓝宝石图形衬底上生长基于AlN缓冲层的高质量GaN薄膜,利用低温AlN层生长时内部的缺陷,选择性进行腐蚀,形成衬底与外延层界面间的侧向倒斜角,提高光萃取效率;同时在其上继续生长高温AlN,为后续GaN薄膜提供高质量模板。从外延角度出发,以表面形貌及其上生长的GaN薄膜的晶体质量为衡量依据,优化了低温AlN缓冲层以及高温AlN缓冲层的生长参数,优化后LED样品在20 mA测试电流下的光输出功率较参考样品提升了4%。     

通过双中温AlN插入层提高半极性(1122)面AlN薄膜的表面形貌和晶体质量

利用金属有机化学气相沉积方法在蓝宝石衬底上生长了一系列具有双中温AlN插入层(MTG-AlN)的半极性AlN薄膜样品。中温生长的AlN插入层具有较大的表面粗糙度,形成了类似纳米级图形化衬底结构,能够有效阻断高温生长的半极性AlN样品中堆垛层错的传播,从而提高半极性AlN样品的表面形貌和晶体质量。通过原子力显微镜和X射线衍射仪的表征,研究了MTG-AlN插入层厚度在20～100 nm之间的变化对半极性AlN样品的表面形貌和晶体质量的影响。结果表明,所有半极性AlN样品都具有■取向。当插入的MTG-AlN中间层厚度约为80 nm时,半极性AlN样品表面粗糙度显著降低,晶体质量明显改善。     

溅射AlN技术对GaN基LED性能的影响

研究了在图形蓝宝石衬底(PSS)上利用磁控溅射制备AlN薄膜的相关技术,随后通过采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在相关AlN薄膜上生了长GaN基LED.通过一系列对比实验,分析了AlN薄膜的制备条件对GaN外延层晶体质量的影响,研究了AlN薄膜溅射前N2预处理功率和溅射后热处理温度对GaN基LED性能的作用机制.实验结果表明:AlN薄膜厚度的增加,导致GaN缓冲层成核密度逐渐升高和GaN外延膜螺位错密度降低刃位错密度升高;N2处理功率的提升会加剧衬底表面晶格损伤,在GaN外延膜引入更多的螺位错;AlN热处理温度的升高粗化了表面并提高了GaN成核密度,使得GaN外延膜螺位错密度降低刃位错密度升高;而这些GaN外延膜位错密度的变化又进一步影响到LED的光电特性.     

Si衬底GaN外延材料六角形缺陷分析

通过改变AlN形核层的生长温度分别在Si(111)衬底上生长了两个GaN样品,并对GaN外延材料表面的六角形缺陷进行了分析研究。通过显微镜和扫描电镜(SEM)观测发现,AlN形核层在高温下生长时,GaN材料表面会产生大量六角形缺陷。通过电子能谱(EDS)分析得出GaN六角形缺陷中含有大量的Si元素以及少量的Ga和Al元素,其中Si元素从Si衬底中高温扩散而来。在降低AlN形核层的生长温度后,GaN材料表面的六角形缺陷随之消失。表明AlN形核层在较低的温度下生长时可以有效地抑制Si衬底表面Si原子的扩散,减少外延层中由于衬底Si反扩散引起的缺陷。     

蓝宝石衬底上AlGaN外延材料的低压MOCVD生长

采用低温AlN成核层在1180℃温度下在(0001)蓝宝石衬底上用低压MOCVD设备生长了AlGaN外延层.Al组分高达0.6、厚度大于1μm的AlGaN外延层表面光亮,晶体质量较好,(0002)X射线衍射回摆曲线半峰宽FWHM为853弧秒.当反应室气压从5×103Pa降到2×103Pa后, AlGaN 外延层的生长速率和固相Al组分都显著提高.     

插入δAl/AlN缓冲层在Si(111)上生长GaN

采用MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)生长方法,对比在AlN层上加入δAl/AlN缓冲层和不加入δAl/AlN缓冲层两种生长结构,在Si(111)衬底上生长GaN.实验结果表明,在加入δAl/AlN缓冲层后,GaN外延层的裂纹密度得到了有效的降低,晶体质量也得到了明显的提高.通过MOCVD生长方法,利用光学显微镜、XRD和Raman等分析测试手段,研究了δAl/AlN缓冲层对GaN外延层的影响,获得了裂纹密度小、晶体质量高的GaN材料.     

插入δAl/AlN缓冲层在Si(111)上生长GaN

采用MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)生长方法,对比在AlN层上加入δAl/AlN缓冲层和不加入δAl/AlN缓冲层两种生长结构,在Si(111)衬底上生长GaN.实验结果表明,在加入δAl/AlN缓冲层后,GaN外延层的裂纹密度得到了有效的降低,晶体质量也得到了明显的提高.通过MOCVD生长方法,利用光学显微镜、XRD和Raman等分析测试手段,研究了δAl/AlN缓冲层对GaN外延层的影响,获得了裂纹密度小、晶体质量高的GaN材料.     

氮化时间对脉冲激光沉积AlN薄膜性能的影响

应用脉冲激光沉积(PLD)技术在氮化处理后的蓝宝石衬底上外延生长AlN薄膜。研究了氮化处理时间对AlN薄膜结构性能和表面形貌的影响,利用原位反射式高能电子衍射(RHEED)对生长过程进行实时观测,利用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对AlN薄膜的结构性能以及表面形貌等进行表征和分析。结果表明,随着氮化时间的增加,AlN形核种子数量增加并逐渐有序,促进AlN薄膜由多晶转为单晶并提高其晶体质量,有利于AlN薄膜由三维生长转为二维生长,改善AlN薄膜表面形貌。为采用PLD技术制备高质量AlN基器件提供了一种新思路。     

预辅Al及AlN缓冲层厚度对GaN/Si(111)材料特性的影响

主要研究了采用高温AlN缓冲层外延生长GaN/Si(111)材料的工艺技术。利用高分辨X射线双晶衍射(HRXRD)分析研究了GaN/Si(111)样品外延层的应变状态和晶体质量,通过原子力显微镜(AFM)分析研究了不同厚度的高温AlN缓冲层对GaN外延层的表面形貌的影响。实验结果表明,AlN缓冲层生长前预通三甲基铝(TMAl)的时间、AlN缓冲层的厚度对GaN外延层的应变状态、外延层的晶体质量以及表面形貌都有显著影响。得到最优的预辅Al时间为10s,AlN缓冲层的厚度为40nm。在此条件下外延生长的GaN样品(厚度约为1μm)表面形貌较好,X射线衍射(XRD)双晶摇摆曲线半峰全宽(FWHM)(0002)面和(10-12)面分别为452″和722″。     

基于AlN和GaN形核层的AlGaN/GaN HEMT外延材料和器件对比

使用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上分别采用AlN和GaN作为形核层生长了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)外延材料,并进行了器件制备和性能分析.通过原子力显微镜(AFM)、高分辨率X射线双晶衍射仪(HR-XRD)和二次离子质谱仪(SIMS)等仪器对两种样品进行了对比分析,结果表明采用AlN形核层的GaN外延材料具有更低的位错密度,且缓冲层中氧元素的拖尾现象得到有效地抑制.器件直流特性显示,与基于GaN形核层的器件相比,基于AlN形核层的器件泄漏电流低3个数量级.脉冲Ⅰ-Ⅴ测试发现基于GaN形核层的HEMT器件受缓冲层陷阱影响较大,而基于AlN形核层的HEMT器件缓冲层陷阱作用不明显.     

AlN外延薄膜的生长和特征

文章研究了AlN薄膜的晶体质量、表面形貌、应力等性质与AlN生长工艺的依赖关系.通过对低温成核厚度、成核温度和高温生长AlN所用Ⅴ/Ⅲ比的研究,制备出了具有较好晶体质量的AlN薄膜.高分辨三晶X射线衍射给出AlN薄膜的(002)和(105)的半高宽分别为16.9arcsec和615arcsec,接近国际上报道的较好结果.原子力显微镜对表面形貌的分析表明AlN薄膜的粗糙度为5.7nm.拉曼光谱表明E2(high)模向高能方向移动,说明蓝宝石上外延的AlN薄膜处于压应变状态.光学吸收谱在204nm处具有陡峭的带边吸收,也表明了AlN外延薄膜具有较好地晶体质量.     

铝插入层对硅基AlN外延特性的影响

采用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)研究了Al金属插入层对Si(111)衬底上AlN薄膜材料生长的影响。结果证明,Al插入层可改善AlN外延层的晶体质量,而且引入Al预扩散机制可消除外延表面的孔隙。同时,采用AlN插入层预扩散有利于获得Al极性的AlN,否则倾向于获得N极性的AlN。     

氮氩体积流量比对AlN薄膜生长取向、晶体质量及沉积速率的影响及机理分析

采用反应磁控溅射法,在溅射气压、溅射功率和衬底温度恒定的条件下,通过调控氮氩体积流量比,在单晶Si衬底上制备AlN薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)研究氮氩体积流量比对AlN薄膜的生长取向、晶体质量及沉积速率的影响规律并分析其机理。结果显示,提高氮氩体积流量比有利于AlN薄膜(002)择优取向的生长,但过高的氮氩体积流量比会降低薄膜的沉积速率。在溅射气压为5 mTorr(1 Torr=133.3 Pa)、溅射功率为500 W、衬底温度为200℃、氮氩体积流量(cm³/min)比为14∶6时,在单晶Si衬底上可以制备出质量较好的,具有良好(002)择优取向的AlN薄膜。研究结果可为反应磁控溅射制备高质量AlN薄膜提供工艺参数设置规律指导。     

AlN外延薄膜的生长和特征

文章研究了AlN薄膜的晶体质量、表面形貌、应力等性质与AlN生长工艺的依赖关系。通过对低温成核厚度、成核温度和高温生长AlN所用Ⅴ／Ⅲ比的研究，制备出了具有较好晶体质量的AlN薄膜。高分辨三晶X射线衍射给出AlN薄膜的(002)和(105)的半高宽分别为16．9arcsec和615arcsec，接近国际上报道的较好结果。原子力显微镜对表面形貌的分析表明AlN薄膜的粗糙度为5．7nm。拉曼光谱表明E2(high)模向高能方向移动，说明蓝宝石上外延的AlN薄膜处于压应变状态。光学吸收谱在204nm处具有陡峭的带边吸收，也表明了AlN外延薄膜具有较好地晶体质量。     

GaN缓冲层上低温生长AlN单晶薄膜

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)技术,在α-Al2O3(0001)(蓝宝石)衬底上,分别以高纯氮气(N2)和三甲基铝(TMAl)为氮源和铝源低温生长氮化铝(AlN)薄膜.利用反射高能电子衍射(RHEED)、原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)等测量样品,研究了AlN缓冲层和氮化镓(GaN)对六方AlN外延层质量的影响,实验表明在GaN缓冲层上能够低温生长出C轴取向的AlN单晶薄膜.     

Si(111)衬底上生长的GaN的形貌与AlN缓冲层生长温度的关系

利用LP-MOCVD技术在Si(111)衬底上,用不同温度生长AlN缓冲层,再在缓冲层上外延GaN薄膜.采用高分辨率双晶X射线衍射(DCXRD)技术和扫描电子显微镜(SEM)分析这些样品,比较缓冲层生长温度对缓冲层和外延层的影响,并提出利用动力学模型解释这种温度的影响.进一步解释了GaN外延层表面形貌中"凹坑"的形成及"凹坑"与缓冲层生长温度的关系.结果表明,温度的高低通过影响缓冲层初始成核密度和成核尺寸来影响外延层表面形貌.     

Si(111)衬底上生长的GaN的形貌与AlN缓冲层生长温度的关系

利用LP-MOCVD技术在Si（111）衬底上,用不同温度生长AlN缓冲层,再在缓冲层上外延GaN薄膜．采用高分辨率双晶X射线衍射（DCXRD）技术和扫描电子显微镜（SEM）分析这些样品，比较缓冲层生长温度对缓冲层和外延层的影响，并提出利用动力学模型解释这种温度的影响．进一步解释了GaN外延层表面形貌中“凹坑”的形成及“凹坑”与缓冲层生长温度的关系．结果表明，温度的高低通过影响缓冲层初始成核密度和成核尺寸来影响外延层表面形貌．