宽周期掩膜法HVPE侧向外延自支撑GaN的研究

GaN膜在传统生长过程中主要通过异质外延获得,这往往会产生晶格失配和热失配,给GaN带来严重的位错和应力.目前降低位错最广泛的方法是使用侧向外延技术.在这项工作中,首先在蓝宝石基GaN衬底上沉积了一层SiO2,并用光刻的方法将其制备成高掩膜宽度(窗口宽度20μm/掩膜宽度280μm)的宽周期掩膜,再通过氢化物气相外延(...     

氮化镓单晶生长研究进展

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体核心材料之一,具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优良特性,是制作宽波谱、高功率、高效率光电子、电力电子和微电子的理想材料.受制于氮化镓单晶衬底的尺寸、产能及成本的影响,当前的GaN基器件主要基于异质衬底(硅、碳化硅、蓝宝石等)制作而成,GaN单晶衬底的缺乏已成为制约GaN器件发展的瓶颈.近年来,国内外在GaN单晶衬底制备方面取得了较大的进展.本文综述了氮化镓单晶生长的最新进展,包括氢化物气相外延法、氨热法和钠助熔剂法的研究进展,分析了各生长方法面临的挑战与机遇,并对氮化镓单晶材料的发展趋势讲行了展望.     

高质量GaN薄膜的MOCVD同质外延生长

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在GaN自支撑衬底上同质外延生长了GaN薄膜,得到高质量的GaN外延薄膜.X射线衍射(XRD)结果显示其(002)面摇摆曲线半高宽小于100弧秒,原子力显微镜(AFM)照片上能看到连续的二维台阶流形貌,其表面粗糙度小于0.5nm,其位错密度低于106 cm3.     

径向三重流MOCVD反应器生长GaN的数值模拟

采用计算流体力学方法对生长半导体材料GaN的重要设备三重进口行星式MOCVD (金属有机物化学气相沉积) 反应室中的输运过程进行了二维数值模拟.从浓度场的角度分析反应器内衬底上方NH3和TMGa的浓度影响因素.根据对模拟结果的分析,发现较均匀的流场对应衬底上方的反应物浓度较高,降低反应器内压强,也可获得衬底上方较高的反应物浓度,由于MOCVD反应器内有较大的温差,因此热扩散效应不能忽视.     

GaN体单晶的氨热生长及应力调控

采用氨热法在碱性条件下生长了GaN体单晶,SEM照片显示晶体表面有大量裂纹.用拉曼光谱测量GaN晶体的E2 (high)声子拉曼峰,结果表明晶体内部应力波动较大.通过减小温度梯度、籽晶优选及降温程序优化后,得到了无裂纹的氮化镓晶体,(002)和(102)的X射线摇摆曲线FWHM分别为48 arcsec和54 arcsec,显微拉曼光谱表明经过工艺优化后的晶体应力显著降低,应力的来源主要为生长过程中杂质的引入.     

垂直转盘式MOCVD反应器进口温度对GaN生长的影响

针对垂直转盘式MOCVD反应器进口温度对GaN生长的影响进行数值模拟研究,分别考虑预混合进口和分隔进口两种情况.通过对包含主要化学反应路径的气体输运过程的模拟,对比不同进口温度下衬底前沿的反应前体浓度及其对应的生长速率的变化,从而确定进口温度对化学反应路径及生长速率的影响关系.结果表明,两种进口情况下,随着进口温度的升高,生长速率均呈现先增大后减小的趋势.预混合时,进口温度约500 K时生长速率最大;分隔进口时,进口温度约800 K时生长速率最大.这主要是由于,生长速率取决于衬底上方边界层内含Ga粒子的浓度梯度.预混合时,衬底前沿的含Ga粒子主要为MMGa,其浓度随进口温度的变化趋势与生长速率的变化趋势一致.分隔进口时,衬底前沿的含Ga粒子MMGa和DMGaNH2浓度处于同一数量级.随进口温度的升高,前者略有增加,而后者明显增大.当预混合的进口温度超过500 K、分隔进口的进口温度超过800 K时,衬底前沿的MMGa和DMGaNH2的峰值或明显下降、或明显离开衬底,使得含Ga粒子的浓度梯度显著下降,造成生长速率下降.     

TMIn流量对GaN基蓝光LED外延薄膜的影响

以蓝宝石(Al2O3)为衬底,采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)技术生长InGaN/GaN多量子阱结构.本文通过调整外延生长过程中三甲基铟(TMIn)流量,研究了TMIn流量对InGaN/GaN多量子阱结构的合金组分、晶体质量和光学性质的影响.本文采用高分辨X射线衍射(HRXRD)、原子力显微镜(AFM)和光致发光(PL)测试表征其结构和光学性质.HRXRD测试结果表明,随TMIn流量增加,"0"级峰与GaN峰之间角偏离增大,更多的In并入薄膜中.HRXRD与AFM表征结果表明:增大TMIn流量会导致外延薄膜中的位错密度增大,V形坑数量增加,晶体质量严重恶化;PL测试结果表明,随着TMIn流量增加,发光强度逐渐降低,半高宽增大,这是由于晶体质量恶化所导致.因此严格控制铟源流量对于改善量子阱薄膜的晶体质量与光学性质有着至关重要的作用.     

大尺寸HVPE反应器寄生沉积的数值模拟研究

在氢化物气相外延(HVPE)生长GaN厚膜中,反应腔壁面总会产生大量的寄生沉积,严重影响薄膜生长速率及质量.本文针对自制的大尺寸垂直式HVPE反应器,通过数值模拟与实验对比,研究了反应腔壁面沉积以及GaN生长速率的分布规律,特别是寄生沉积分布与载气流量的关系.研究发现:在基准条件下,顶壁寄生沉积速率由中心向边缘逐渐降低,与实验结果吻合;侧壁沉积出现8个高寄生沉积区域,对应喷头边缘处排布的GaCl管,说明沉积主要取决于GaCl的浓度输运;模拟得出的石墨托表面生长速率低于实验速率,但趋势一致.保持其他条件不变,增大NH3管载气N2流量,顶壁和侧壁的寄生沉积速率及分布区域均随之增大,石墨托表面生长速率随之减小而均匀性却随之提高;增大GaCl管载气N2流量,顶壁和侧壁的寄生沉积速率及分布区域均随之减小,石墨托表面生长速率随之增大而均匀性却随之降低.研究结果为大尺寸HVPE反应器生长GaN的工艺优化提供了理论依据.     

自由基对气相化学反应生长GaN的影响研究

结合化学反应动力学模型,对MOCVD反应器中自由基对GaN生长的化学反应路径的影响进行数值模拟研究。通过对比加入自由基前后RDR反应器中Ga浓度变化,来分析自由基对化学反应热解路径的影响。同时改变压强,分析操作参数的变化对自由基活性的影响。研究发现:在不考虑自由基的反应路径,薄膜生长的主要前体为DMG;而考虑自由基的反应路径,主要的生长前体为MMG。自由基的存在加速了DMG向MMG的热解,使得DMG分解为MMG速度远大于TMG分解为DMG的速度,导致衬底上方的MMG浓度高于DMG。而操作压强的变化仅仅对流动边界层产生了影响,对热解路径影响不大。     

氢化物气相外延生长氮化镓单晶衬底的研究进展

氮化镓(GaN)晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子等器件的理想衬底材料,在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景。目前市场上的氮化镓单晶衬底大部分都是通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)方法生长制备的,在市场需求的推动下,近年来HVPE生长技术获得了快速的发展。本论文综述了近年来HVPE方法生长GaN单晶衬底的主要进展,主要内容包含HVPE生长GaN材料的基本原理、GaN单晶中的掺杂与光电性能调控、GaN单晶中的缺陷及其演变规律和GaN单晶衬底在器件中的应用。最后对HVPE生长方法的发展趋势进行了展望。     

Cross‐sectional and surface Raman mapping of thick GaN layers

Raman scattering spectroscopy was utilized for investigation of the structural properties of thick GaN layers. These layers with thickness ∼ 40 μm have been grown by HVPE technique on the sapphire substrates. The investigations have been focused on the strain distribution in GaN layer cross‐section as a function of distance from an interface sapphire/GaN and mapping of the surface and of the inner layer, near the sapphire/GaN interface. From the observed phonon shifts in the Raman spectra strain differences lower than 6.4×10^–4 corresponding to stress differences of 240 MPa were estimated across the thick GaN epitaxial layer. The measurements exhibit that strain in the layer causes changes in the Raman spectra and allow determining the relaxation process in the crystal. The obtained results confirmed, that the mode frequencies in the measured Raman spectra in both directions (parallel or perpendicular to the growth direction) for layer thicknesses over 30 µm are comparable with typical values for bulk material and match the low strain in the structure due to relaxation processes. (© 2008 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

喷淋式MOCVD反应器中AlN的生长速率和化学反应路径的数值模拟研究

利用数值模拟方法,结合反应动力学和气体输运过程,研究喷淋式MOCVD反应器中AlN的生长速率和气相反应路径与反应前体流量(NH3和H2)、进口温度、压强、腔室高度等参数的关系.研究发现:薄膜生长前体和纳米粒子前体的浓度决定了不同的生长速率和气相反应路径.在低Ⅴ/Ⅲ比(2000)、高H2流量(12 L/min)、高进口温...     

低温GaN形核层的形核速率对GaN外延薄膜晶体质量的影响

采用金属有机化学气相沉积方法系统研究了在蓝宝石衬底上低温GaN形核层的形核速率对GaN外延薄膜晶体质量的影响机理.利用高分辨X射线衍射仪、原子力显微镜、光致发光光谱和Hall测试仪表征材料的位错密度、表面形貌以及光、电学性能.研究结果表明随着形核速率的增加,GaN形核层更倾向于三维生长模式;当形核速率达到1.92(A)/s时退火后生成尺寸为100 nm宽、32 nm高的均匀形核岛,随后生长的未掺杂GaN外延薄膜层的螺型和刃型位错密度以及黄带峰强度达到最小值,并且其具有最高的载流子迁移率和最低的载流子浓度.     

Vapor phase growth of GaN using GaN powder sources and thermogravimetric investigations of the evaporating behaviour of the source material

The growth of GaN from the vapor phase is a promising technique for producing both bulk GaN crystals and GaN layers. For establishing a growth method from the vapor phase the source material and reactor setup are of great importance. Highly pure and self synthesized GaN powder was chosen as source material. The evaporation behaviour of the GaN powder was studied by means of thermogravimetry (TG). A vertical growth reactor was set up according to the results of numerical simulations of the temperature distributions and flow patterns. Freely nucleated GaN platelets of some millimetres in length were grown. Furthermore, thin GaN layers were deposited directly on a sapphire substrate. This nucleation layer was successfully overgrown by low pressure solution growth. (© 2007 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

氮化物MOCVD反应室流场的仿真与分析

在立式MOCVD反应室中,通过对生长氮化镓(GaN)薄膜材料的仿真,发现衬底表面反应物三甲基镓物质的量的浓度分布与实际生长的GaN薄膜的厚度分布一致,同时,仿真结果表明,薄膜的厚度分布与反应室内涡旋的分布相关.通过分析涡旋产生的原因,对反应条件和反应室的几何条件作了进一步优化,发现在较低的反应室压强、较低的壁面温度和较大的气体入口半径条件下,能使涡旋明显减小,提高薄膜生长的均匀性.     

反向流动垂直喷淋式MOCVD反应器生长GaN的化学反应数值模拟

本文提出了MOCVD生长GaN的表面循环反应模型,将该反应模型应用于作者新近提出的反向流动垂直喷淋式反应器,进行三维数值模拟.得出反应器内流速、温度和TMGa浓度分布,以及GaN的生长速率分布.将此计算结果与传统的反应器情况进行对比,发现在相同参数情况下,两种反应器的衬底上方温度分布都比较均匀,近衬底处温度梯度较大,高温区域被压制在离衬底较近的区域,流线均比较平滑,在衬底上方没有明显的旋涡;新型反应器内反应气体在近衬底处的浓度均匀性以及GaN在基片表面的沉积均匀性都优于传统反应器,但沉积速率小于后者,大约只有后者的1/2.     

Enhanced growth rates and reduced parasitic deposition by the substitution of Cl2 for HCl in GaN HVPE

The main limitation in the application of hydride vapor phase epitaxy for the large scale production of thick free-standing GaN substrates is the so-called parasitic deposition, which limits the growth time and wafer thickness by blocking the gallium precursor inlet. By utilizing Cl₂ instead of the usual HCl gas for the production of the gallium chlorine precursor, we found a rapid increase in growth rate from ∼80 to ∼400 μm/h for an equally large flow of 25 sccm. This allowed us to grow, without any additional optimization, 1.2 mm thick high quality GaN wafers, which spontaneously lifted off from their 0.3° mis-oriented GaN on sapphire HCl-based HVPE templates. These layers exhibited clear transparencies, indicating a high purity, dislocation densities in the order of 10⁶ cm⁻², and narrow rocking curve XRD FWHMs of 54 and 166 arcsec in for the 0002 and 101−5 directions, respectively.     

Analysis of Fluid Flow and Heat Transfer in a Gas Phase Crystal Growth Furnace

Steady-state simulations of fluid flow and temperature field are presented for an equipment that is used to grow Zinc Selenide single crystals from the gaseous phases via physical (PVT) or chemical vapour transport (CVT). Due to the horizontal arrangement of the air-filled furnace pipe calculating the natural convection in the air requires a 3D (three-dimensional) treatment of the problem. The simulations have been done by applying the commercial finite-element package FIDAP. The Navier-Stokes equation is solved with the Boussinesq approximation. The heat transfer analysis comprises also internal radiation wall-to-wall exchange. Due to the presence of the ampoule in the pipe, the development of vortices with higher velocities is restrained, so that the maximum velocity is roughly 1/4 of that in the case without an ampoule.