自支撐GaN單晶的HVPE生長及加工研究
發(fā)布時間：2020-12-13 20:44
GaN作為第三代半導(dǎo)體材料因其優(yōu)異的物理化學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用在短波長光電子器件和高頻微波器件等領(lǐng)域。由于同質(zhì)GaN襯底的缺乏,大部分的GaN器件均是在異質(zhì)襯底上外延生長制作而成,然而因為與異質(zhì)襯底之間存在著大量的晶格失配和熱失配,GaN基器件內(nèi)部存在較多的位錯和較大的殘余應(yīng)力,這使其穩(wěn)定性和使用壽命受到嚴重損害。降低應(yīng)力能夠有效地提高器件的穩(wěn)定性,而通過GaN單晶襯底同質(zhì)外延生長GaN基器件能夠在根本上解決這些問題。氫化物氣相外延法（Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE）具有設(shè)備簡單、生長速度快及成本低等優(yōu)點,被認為是最有前景的GaN單晶生長方法。本文采用HVPE法生長GaN單晶,主要對生長條件進行了優(yōu)化,通過制備低應(yīng)力緩沖襯底,成功生長出應(yīng)力狀態(tài)均勻的GaN單晶,提高了器件的性能;利用調(diào)控生長模式多步直接生長的方法得到了自支撐GaN單晶,為GaN同質(zhì)襯底的獲得提供了可能;對GaN單晶的加工進行了系統(tǒng)研究,為進一步的同質(zhì)襯底及器件制備創(chuàng)造條件。具體研究內(nèi)容如下:（1）研究了不同溫度場環(huán)境（包括恒溫和變溫條件）對生長的GaN晶體質(zhì)量和性質(zhì)等方面的影響。恒溫條件...
【文章來源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：140 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１－１纖鋅礦ＧａＮ晶體的晶胞結(jié)構(gòu)圖
山東大學(xué)博士學(xué)位論文??⑷?Ａ?Ａ?（ｂ）?Ａ?Ａ?（ｃ）?供?Ａ??ＶＶ＊?ＶＭ＊?Ｖｆ??？恭＃私??ｃ面?｛１１－２２｝??圖１－２?ＧａＮ單晶的極性面（ａ）、非極性面（ｂ）、和一種半極性面（ｃ）??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ａ），?ｎｏｎ－ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ｂ）?ａｎｄ?ｏｎｅ?ｋｉｎｄ?ｏｆ?ｓｅｍｉ－ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ｃ）?ｏｆ?ＧａＮ?ｃｒｙｓｔａｌ??完美的ＧａＮ晶體中，原子的排列是嚴格有序的，但是在生長過程中會不可??避免的產(chǎn)生缺陷，而缺陷的存在不僅破壞了晶體結(jié)構(gòu)的完整性，還會對晶體的物??理性質(zhì)產(chǎn)生影響，因此關(guān)于晶體中缺陷的產(chǎn)生、相互作用等研宄對于提升半導(dǎo)體??材料的光電性能，提高器件的穩(wěn)定性都具有非常重要的意義Ｐ１。晶體中缺陷的??形成是由于原子的有序排列周期被破壞導(dǎo)致，根據(jù)尺度和形貌，晶體中的缺陷被??分為四種：點缺陷，又稱零維缺陷，它和單個原子的位置有關(guān)，如空位、雜質(zhì)間??隙原子、替代原子；線缺陷，又稱一維缺陷，多數(shù)與某一晶體方向有關(guān)，主要是??位錯；面缺陷，又稱二維缺陷，它與某個晶面有關(guān)，典型代表是晶界；體缺陷，??又稱三維缺陷，常見的包括孔隙、孔洞和開裂［２６Ｌ??１．２．２?ＧａＮ單晶的性質(zhì)??ＧａＮ優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)使其在光電子和高頻電子器件領(lǐng)域具有非常重要??的應(yīng)用價值１２７＿２９］，且能夠應(yīng)用于更多嚴苛的使用環(huán)境。ＧａＮ擁有非中心對稱結(jié)??構(gòu)和較強的離子鍵，使ＧａＮ單晶具有較強的自發(fā)極化效應(yīng)，這能夠增強半導(dǎo)體??異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣的濃度［３（Ｕ１］。表１－１為纖鋅礦ＧａＮ單晶的主要性質(zhì)??參數(shù)。??４??
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【參考文獻】：
期刊論文
[1]薄膜的晶格失配應(yīng)力分析[J]. 呂建國,王成彪,于翔,付志強. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報. 2008(20)
博士論文
[1]GaN緩沖襯底的制備及其單晶生長研究[D]. 張保國.山東大學(xué) 2019
[2]利用多孔襯底HVPE生長GaN單晶及其不同晶面性質(zhì)的研究[D]. 霍勤.山東大學(xué) 2018
[3]HVPE生長自支撐GaN單晶及其性質(zhì)研究[D]. 田媛.山東大學(xué) 2016
[4]GaN單晶的HVPE生長及其應(yīng)力和晶體取向研究[D]. 邵永亮.山東大學(xué) 2013
本文編號：2915154
【文章來源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：140 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１－１纖鋅礦ＧａＮ晶體的晶胞結(jié)構(gòu)圖
山東大學(xué)博士學(xué)位論文??⑷?Ａ?Ａ?（ｂ）?Ａ?Ａ?（ｃ）?供?Ａ??ＶＶ＊?ＶＭ＊?Ｖｆ??？恭＃私??ｃ面?｛１１－２２｝??圖１－２?ＧａＮ單晶的極性面（ａ）、非極性面（ｂ）、和一種半極性面（ｃ）??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ａ），?ｎｏｎ－ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ｂ）?ａｎｄ?ｏｎｅ?ｋｉｎｄ?ｏｆ?ｓｅｍｉ－ｐｏｌａｒ?ｆａｃｅ?（ｃ）?ｏｆ?ＧａＮ?ｃｒｙｓｔａｌ??完美的ＧａＮ晶體中，原子的排列是嚴格有序的，但是在生長過程中會不可??避免的產(chǎn)生缺陷，而缺陷的存在不僅破壞了晶體結(jié)構(gòu)的完整性，還會對晶體的物??理性質(zhì)產(chǎn)生影響，因此關(guān)于晶體中缺陷的產(chǎn)生、相互作用等研宄對于提升半導(dǎo)體??材料的光電性能，提高器件的穩(wěn)定性都具有非常重要的意義Ｐ１。晶體中缺陷的??形成是由于原子的有序排列周期被破壞導(dǎo)致，根據(jù)尺度和形貌，晶體中的缺陷被??分為四種：點缺陷，又稱零維缺陷，它和單個原子的位置有關(guān)，如空位、雜質(zhì)間??隙原子、替代原子；線缺陷，又稱一維缺陷，多數(shù)與某一晶體方向有關(guān)，主要是??位錯；面缺陷，又稱二維缺陷，它與某個晶面有關(guān)，典型代表是晶界；體缺陷，??又稱三維缺陷，常見的包括孔隙、孔洞和開裂［２６Ｌ??１．２．２?ＧａＮ單晶的性質(zhì)??ＧａＮ優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)使其在光電子和高頻電子器件領(lǐng)域具有非常重要??的應(yīng)用價值１２７＿２９］，且能夠應(yīng)用于更多嚴苛的使用環(huán)境。ＧａＮ擁有非中心對稱結(jié)??構(gòu)和較強的離子鍵，使ＧａＮ單晶具有較強的自發(fā)極化效應(yīng)，這能夠增強半導(dǎo)體??異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣的濃度［３（Ｕ１］。表１－１為纖鋅礦ＧａＮ單晶的主要性質(zhì)??參數(shù)。??４??
山東大學(xué)博士學(xué)位論文??Ｎ２?ｇａｓ?（５０?ａｔｍ）??ａｍ??７５０．?ｏｒ?８００°Ｃ??？?Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ?ｓｔｅｅｌ?ｃｏｎｔａｉｎｅｒ??Ａｌｕｍｉｎａ?ｃｒｕｃｉｂｌｅ??＞??丨?Ｎ２?ｇａｓ?］｜??ｉｌｌ??＼?Ｐｏｌｙ－ｃｒｙｓｔａｌｓ??々？竹’??Ｇａ－Ｎａ?ｍｅｉｒ＾＊．??＜?ＬＰＥ－ＧａＮ??圖１－３助溶劑法生長ＧａＮ原理示意圖［４０］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｎａ－Ｆｌｕｘ?ｍｅｔｈｏｄ?ｔｏ?ｇｒｏｗ?ＧａＮ?ｃｒｙｓｔａｌ１４０＾??１．３．１．２氨熱法生長ＧａＮ單晶??研究者們受水熱法大量生產(chǎn)石英的啟發(fā)，開發(fā)了用于ＧａＮ晶體生長的氨熱??法（Ａｍｍｏｎｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｔｈｏｄ）。氣熱法生長過程類似于水熱法，其生長原理如圖??１－４所示，將多晶ＧａＮ或Ｇａ原料置于高壓的超臨界氨環(huán)境中。通過溫度梯度控??制，將高壓釜分為生長區(qū)（低的ＧａＮ溶解度）和進料區(qū)（高的ＧａＮ溶解度）。??通過對流的方式，將溶解性較高的ＧａＮ從原料區(qū)輸送到生長區(qū)，由于生長區(qū)存??在過飽和度，ＧａＮ能夠在籽晶上結(jié)晶并繼續(xù)生長。生長過程中未反應(yīng)的原料又??通過對流的方式送回原料區(qū)，通過這種方式循環(huán)生長獲得ＧａＮ。然而，ＧａＮ在??超臨界氨中的溶解度仍然不足以實現(xiàn)ＧａＮ的連續(xù)生長，因此需要增加礦化劑來??提高其溶解度。目前常用的礦化劑可分為兩種典型類型：堿性礦化劑，如ＸＮＨ２??（Ｘ?＝?Ｌｉ，Ｎａ，?Ｋ）和酸性礦化劑，如ＮＨ４Ｙ?（Ｙ?＝?Ｃ１，?Ｂｒ，?Ｉ）。由于化學(xué)性質(zhì)的??不同，氨熱法的堿性礦化劑和酸性礦化劑是不同的：在酸性礦化劑溶液中溶解度
【參考文獻】：
期刊論文
[1]薄膜的晶格失配應(yīng)力分析[J]. 呂建國,王成彪,于翔,付志強. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報. 2008(20)
博士論文
[1]GaN緩沖襯底的制備及其單晶生長研究[D]. 張保國.山東大學(xué) 2019
[2]利用多孔襯底HVPE生長GaN單晶及其不同晶面性質(zhì)的研究[D]. 霍勤.山東大學(xué) 2018
[3]HVPE生長自支撐GaN單晶及其性質(zhì)研究[D]. 田媛.山東大學(xué) 2016
[4]GaN單晶的HVPE生長及其應(yīng)力和晶體取向研究[D]. 邵永亮.山東大學(xué) 2013
本文編號：2915154
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