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GaN基半导体器件发展迅速并且拥有广阔的市场前景。但是,由于受异质外延技术的限制,器件性能的进一步提高变得十分困难,特别是高亮度的白光LED、蓝光LD以及大功率、高频的功率器件急需发展同质外延技术以降低有源层缺陷密度和提高衬底的导热、导电性能。因此,GaN自支撑衬底的研发成为解决这一瓶颈的核心。HVPE是当前获得GaN自支撑衬底最主要的方法,但仍然面临许多困难,如缺陷密度较高、翘曲严重、容易开裂、衬底不易分离等。 本文正是围绕如何克服这些问题展开研究工作,利用HVPE采用全新的生长方法和分离技术制备大面积、低缺陷密度GaN自支撑衬底。主要包括以下内容: 1)将脉冲气流调制(PFM)方法应用到HVPE生长厚膜GaN。分析了高NH3和低NH3气流条件对GaN生长的影响,发现高NH3下生长的GaN材料晶体质量差但应力释放充分,而低NH3下生长GaN材料晶体质量高但剩余应力大。PFM方法就是在这两种状态下调制生长GaN,既能保证材料具有较高的晶体质量,同时应力得到释放避免开裂,最终成功制备厚度大于300μm完整2英寸GaN/Sapphire复合衬底。 2)将侧向外延(ELO)技术应用到HVPE生长厚膜GaN。研究了不同的温度、压强、V/Ⅲ和占空比对侧向外延的影响,发现温度、压强对生长影响较小,而V/Ⅲ和占空比对生长有很大影响。对于较大的V/Ⅲ,生长速率快,侧向生长合并过程中容易形成多晶GaN,侧向外延生长的GaN晶体质量很差,并且容易开裂。比较不同占空比条件下HVPE生长的330μm厚GaN材料,发现随着占空比的增加GaN表面的缺陷和裂纹都减少,说明侧向外延技术不但能降低缺陷密度,同时还能够释放内部应力。 3)提出了基于热分解和HCl原位刻蚀的自分离技术。在采用PFM方法生长厚膜GaN过程中,通过短时间关闭NH3气流使GaN热分解,在生长中形成有利于自分离的孔洞层,成功制备了位错密度约106cm-2的自支撑GaN体材料。研究了在GaN生长过程中高温HCl气体对GaN的刻蚀,发现GaN表面被刻蚀出大量的位错坑,选择合适的再生长条件能在外延层中能形成尺寸更大的孔洞层,有望将2英寸GaN厚膜材料从衬底上完整分离开来。基于热分解和原位刻蚀的自分离方法与激光剥离和插入掩膜等分离技术相比,更为简单、经济。