GaN材料生長(zhǎng)研究

1、第34卷第5期半導(dǎo)體情報(bào)V o l 134, N o 151997年10月SE M I CONDU CTOR I N FORM A T I ON O ct 11997GaN 材料生長(zhǎng)研究章其麟孫文紅劉燕飛畢書亮耿金花(電子工業(yè)部第十三研究所, 石家莊, 050051秦國(guó)剛(北京大學(xué)物理系, 北京, 100871摘要用常壓M O CVD 方法我們?cè)谒{(lán)寶石(0001 、Si (111 襯底上, 成功地制備出GaN單晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步測(cè)試結(jié)果。純度GaN 為n 型, 載流子濃度為10171018c m -3, 遷移率為200350c m 2 , 室溫PL 光譜本征發(fā)V s , 雙

2、晶衍射半峰寬為7光波長(zhǎng)為370nm , 并首次觀察到摻Zn GaN 呈p 型電導(dǎo)。關(guān)鍵詞氮化鎵發(fā)光二極管Study on Growth of GaN M a ter i a lZhang Q ilin , Sun W enhong , L iu Yanfei , B i Shu liang , Geng J inhua(T he 13th Institu te , M inistry of E I , S h ij iaz huang , 050051Q in Guogang(T he D ep art m ent of P hy sics , B eij ing U niversity ,

3、B ej ing , 100871Abstract T he single crystal GaN fil m s w ere p rep ared by A PM O CVD on sapp ier (0001 and Si (111 sub strates . T hey exh ib ited n 2typ e in trin sic conducti on , their concen 217183trati on , H all m ob ility and FW HM of doub le crystal diffracti on w ere 1010c m , 200350c m

4、 2 . resp ectively . T he R T 2PL sp ectra resu lt of p u re GaN show ed that V s and 7there w as a band 2edge p eak at 370nm , It is the first ti m e that w e have ob served the p 2. typ e conduct of Zn 2dop ed GaN m aterialKeywords GaN L igh t 2em itting di odes1引言GaN 是繼Si 、GaA s 之后又一代重要的半導(dǎo)體材料, 因?yàn)?/p>

5、它的禁帶寬度寬, 化學(xué)穩(wěn)定性極好(幾乎不被任何酸腐蝕 , 因此它有望制成在高溫、輻射等惡劣環(huán)境下工作的半導(dǎo)體器件。收稿日期:19970228六方晶體的A l N 、GaN 、InN 的禁帶寬度分別為612、314、119eV 。它們的固溶體覆蓋從紅外到紫外光譜波段, 因此 族氮化物及其固溶體是最好的全色光電材料。GaN 材料作為藍(lán)光的應(yīng)用始終是人們研究的重點(diǎn), 因?yàn)樗{(lán)光可以提高6光存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存密度, ZnS 以及Si C 是最先獲得藍(lán)色發(fā)光的兩種材料, 但是因?yàn)閆nS 器件的壽命太短, Si C 器件的量子效率太低, 因此人們自然地將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)aN 的研究上。早在70年代初人們就開始探

6、索GaN 材料的生長(zhǎng)工藝, 但是因?yàn)檎也坏胶线m的襯底材料, 以及GaN 在高溫生長(zhǎng)時(shí)氮的平衡分解壓力高, 因此直到1987年以前, 材料的質(zhì)量進(jìn)展遲緩。1920-3GaN 的n 型本底濃度在1010c m 之間,2GaN 材料生長(zhǎng)GaN 材料的生長(zhǎng)是在高溫下, 通過TM G分解出的Ga 與N H 3的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的, 其可逆的反應(yīng)方程式為:2H 2Ga +N H 3=GaN +3圖1為形成穩(wěn)定GaN 的熱力學(xué)相圖。生長(zhǎng)GaN 需要一定的生長(zhǎng)溫度, 且需要一定的N H 3分壓。人們通常采用的方法有常規(guī)M O CVD其遷移率為1020c m 2 V s , 尤其是始終做不出p 型GaN 材料。直到

7、80年代末GaN 材料的生長(zhǎng)才取得明顯的突破, 其技術(shù)關(guān)鍵是1M O CVD 法中采用了二步生長(zhǎng)法, 終于在失配度很大的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的外延材料, 經(jīng)過工藝的優(yōu)化, 目前GaN 的本底載流子濃度已可達(dá)10151016c m -3, 遷移率為1600c m 2 V s 。雙晶衍射的半峰寬最好可達(dá)31弧秒2。尤其是發(fā)現(xiàn)對(duì)摻雜M a 2GaN 進(jìn)行低能電子束照射或者在800N 2氣中退火, 可以成功地獲得p 型GaN 。目前GaN 的p 型濃度已達(dá)到n ×1018c m -3。材料質(zhì)量的突破敲開了邁向器件的大門, 終于在1994年日本人首先做出了高亮度藍(lán)色L ED , 發(fā)光強(qiáng)度為

8、2cd , 轉(zhuǎn)換效率為9%3以及12cd 的綠色L ED 4, 并且實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。1996年初他們又做出了GaN 室溫脈沖激光二極管, 其發(fā)射波長(zhǎng)為410nm 5。除了在光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用, GaN 在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用也有很大的優(yōu)點(diǎn), 與GaA s 相比, GaN 的電子漂移速度比GaA s 高(217×1072×107c m s ; GaN 的熱導(dǎo)性能也比GaA s 好(115015W c m , 因此, GaN 極有希望成為高溫大圖1形成穩(wěn)定GaN 的熱力學(xué)相圖(包括A PM O CVD 、L PM O CVD 、等離子體增強(qiáng)M O CVD (PE 2M O CVD

9、和電子回旋共振輔助M B E 等。所需的溫度和N H 3分壓依次減少。本工作采用的設(shè)備是A P 2M O CVD , 反應(yīng)器為臥式, 并經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)改裝。用國(guó)產(chǎn)的高純TM G 及N H 3作為源材料, 用D eZn 作為p 型摻雜源, 用(0001 藍(lán)寶石與(111 硅作為襯底采用高頻感應(yīng)加熱, 以低阻硅作為發(fā)熱體, 用高純H 2作為M O 源的攜帶氣, 用高純N 2作為生長(zhǎng)區(qū)的調(diào)節(jié)。用HALL 測(cè)量、雙晶衍射以及室溫PL 光譜作為GaN 的質(zhì)量表征。要想生長(zhǎng)出完美的GaN , 存在兩個(gè)關(guān)鍵性的問題, 一是如何能避免N H 3和TM G 的強(qiáng)烈寄生反應(yīng), 使兩反應(yīng)物比較完全地沉積于藍(lán)寶石和Si

10、 襯底上, 二是怎樣生長(zhǎng)出完美的單晶。為了實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目的, 我們?cè)O(shè)計(jì)了多種氣流模型和多種形式的反應(yīng)器, 最后終于摸索出獨(dú)特的反應(yīng)器結(jié)構(gòu), 通過調(diào)節(jié)TM G 管道與襯底的距離, 在襯底上生長(zhǎng)出了GaN 。同時(shí)為了確保GaN 的質(zhì)量及重復(fù)性, 采用硅基座作為加熱體, 防止了高溫下N H 3和石墨在高溫下的劇烈反應(yīng)。對(duì)于第7功率高速微波器件的材料。至今已經(jīng)做出的GaN 微波器件有高電子遷移率晶體管、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及表面聲學(xué)波器件, 目前GaN FET 器件工作頻率已可達(dá)70GH z 6。本文主要介紹以藍(lán)寶石、Si (111 為襯底, 用M O CVD 方法制備GaN 材

11、料的工藝及其GaN 材料的初步測(cè)試結(jié)果。二個(gè)問題, 采用常規(guī)兩步生長(zhǎng)法, 經(jīng)過高溫?zé)崽幚淼乃{(lán)寶石材料, 在550, 首先生長(zhǎng)250左右的GaN 緩沖層, 而后在1050生長(zhǎng)出完美的GaN 單晶材料。對(duì)于Si 襯底上生長(zhǎng)GaN 單晶, 首先在1150生長(zhǎng)A l N 緩沖層, 而后生長(zhǎng)GaN 單晶。生長(zhǎng)該材料的典型條件如下:N H 33L m inTM G N 2H 220m o l =6500m in 34L m in <1L m inGaN 的晶體質(zhì)量還是可以的 。人們普遍采用M g 作為摻雜劑生長(zhǎng)p 型GaN , 然而將材料生長(zhǎng)完畢后要在800左右和在N 2的氣氛下進(jìn)行高溫退火, 才能

12、實(shí)現(xiàn)p 型摻雜。本實(shí)驗(yàn)采用Zn 作摻雜劑, D eZn TM G =0115, 生長(zhǎng)溫度為950, 將高溫生長(zhǎng)的GaN 單晶隨爐降溫, Zn 具有p 型摻雜的能力, 因此在本征濃度較低時(shí), 可望實(shí)現(xiàn)p 型摻雜。圖2在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的GaN 雙晶體衍射搖擺曲線313室溫PL 譜測(cè)試藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的純度GaN 材料, 如圖3所示, 具有370nm 的本征峰和580nm 的黃光峰, 本征峰與黃光峰之比值是衡量材料質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。黃光峰的來源眾說紛紜, 有的認(rèn)為是由于GaN 中深能級(jí)與缺陷引起7, 也有人認(rèn)為是8Ga 空位引起。本實(shí)驗(yàn)使用的源如TM G 和N H 3都為國(guó)產(chǎn)源, 純度較低, 其中N H 3

13、只有4N , 使用進(jìn)口N H 3(6N 可能對(duì)材料的質(zhì)量有所提高 。3測(cè)試結(jié)果我們對(duì)材料分別進(jìn)行了H all 、x 射線雙晶衍射及PL 譜測(cè)試。311Ha ll 測(cè)試表1Ha ll 測(cè)試載流子濃度 c m -純度GaN 摻Zn GaN 摻M g GaN3H all 遷移率c m 2V -1s -20034120191n ×1018n n ×1017p 2×1018p 4×1017觀察到純度外延層的載流子濃度受工藝參數(shù)變化而變化, 例如當(dāng)N 2載氣流量增加, 外延層n 型載流子濃度下降, 多層生長(zhǎng)時(shí)遠(yuǎn)離氣流的襯底外延層溫度低。純GaN 最高遷移率為341c

14、 m 2 V s 。對(duì)于摻Zn 的樣品, Zn 在GaN中的能級(jí)較深, 摻Zn 一般呈高阻。在我們特殊的工藝下, 摻Zn 呈現(xiàn)出p 型電導(dǎo), 其物理原理還有待進(jìn)一步研究。摻M g 的GaN , 當(dāng)氣相中生長(zhǎng)后, N 2氣中自然原位退火, 材料呈現(xiàn)p 型,3其濃度為4×1017 c m 。312x 射線雙晶衍射結(jié)果圖2為藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的3m 厚GaN 的雙晶衍射測(cè)試結(jié)果, 測(cè)得的半峰寬為7, 說明圖3摻Zn GaN 的室溫PL 光譜在藍(lán)寶石襯底上制備的摻Zn GaN 材料,如圖4所示, 有很強(qiáng)的430nm 藍(lán)光峰, 其強(qiáng)度比純度GaN 本征峰強(qiáng)40倍, 并且未出現(xiàn)580nm 的黃光峰。隨

15、著Zn 摻雜濃度的提高, 發(fā)射波長(zhǎng)逐漸增大9, 其原理很可能是高摻Zn 以后GaN 的能帶收縮引起的。在硅上生長(zhǎng)GaN 材料PL 光譜如圖5所8 用常壓M O CVD 方法我們?cè)谒{(lán)寶石(0001 、Si (111 襯底上, 成功地制備出GaN 單晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步測(cè)試結(jié)果。純度GaN 為n 型載流子, 濃度為10171018c m-3, 遷移率為200350c m 2 V s 。雙晶衍射半峰寬為7, 室溫PL 光譜本征發(fā)光波長(zhǎng)為370nm , 摻M g 的GaN 原位快速退火可獲得p 型GaN , 并首次觀察到摻Zn GaN 呈p 型電導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1N akam ura S

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19、0nm 紅光峰, 由DA 躍遷所致。其本征峰強(qiáng)度比藍(lán)寶石生長(zhǎng)的GaN 強(qiáng)2倍, 證明我們已可以在硅襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN 。由于硅的來源豐富, 價(jià)格便宜, 用硅襯底生長(zhǎng)GaN 很容易與現(xiàn)有的硅大規(guī)模集成電路工藝兼容起來, 它還具有便于解理以及直接在硅襯底上作歐姆接觸等優(yōu)點(diǎn), 從長(zhǎng)遠(yuǎn)看是很值得開發(fā)的研究方向 。7, 1996W e 229, 520Ch iba L iniv . Japan , M arch 58Zhang X , R agegh iM . T he F irst Internati onal Sympo siumon GaN &R elated M aterials . M R S Fall M eeting Sympo 2sium AAA