GaN薄膜制备技术的研究进展..docVIP

GaN薄膜制备技术的研究进展 摘要：由于GaN 薄膜有希望应用在紫外或蓝光发光器件、探测器以及高速场效应晶体管、高温电子器件,GaN 材料是当前研究的一个焦点。本文综述了近年来国内外GaN薄膜制备技术的研究进展，并重点介绍了其发展历程、所使用的设备和技术、各自的优缺点及应用前景。通过比较这些技术的优缺点展望了制备GaN薄膜技术的发展前景。 关键词：GaN薄膜 制备 方法 CVD 前言： 近年来，Ⅲ一V族宽带隙(E2．3eV)的氮化物材料已成为半导体领域的研究热点，其中，GaN具有直接宽禁带(室温下Eg一3．39eV)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点。目前，GaN是制作高亮度蓝光发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和异质结场效应晶体管(HFETs)等光电子器件以及抗辐射、抗高频、抗高温、抗高压等电子器件的理想材料 。早在2O世纪3O年代Johnson等 就采用金属镓(Ga)和氨气(NH。)反应得到了GaN小晶粒和粉末。由于在实际应用中所使用的氮化镓(GaN)材料主要为薄膜形式，研究人员尝试用多种方法来制备GaN 薄膜，最早出现的是氢化物气相外延(HVPE)，随后是金属有机气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)，目前又出现了一些比较新型的方法，如电泳沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射(MS)、溶胶一凝胶(Sol—ge1)等。然而，要制备高质量、低成本的GaN薄膜，现在采用的各种制备工艺还存在一定的局限性，因此发展合适的生长方法是研究者关注与探索的目标。【1】 1 制备方法 1.1 化学气相沉积(CVD) CVD具有设备简单、易于操作、生长条件可控、成本低等优点。目前已有报道证实，在既不需要催化剂也不需要模板的情况下，利用该设备能成功获得GaN薄膜。采用此法成功地制得了尺寸一致、分布均匀、致密度较高、没有龟裂的高质量GaN薄膜。 CVD方法的主要不足是：沉积速率低；若反应物为高温下易氧化的物质，则需保证反应室无氧；反应温度较高，一般在1000℃ 以上，故衬底要耐高温。针对CVD的这些缺陷，研究人员不断地改进设备与工艺条件，先后又发展了电子回旋共振一等离子体辅助CVD、微波辅助CVD、激光辅助CVDE等，进一步完善了CVD技术。例如，电子回旋共振一等离子体辅助CVD采用高密度等离子体使TMGa(镓源)和N2(氮源)容易分解，反应温度只需400℃。 另外，还有一些由CVD法延伸出的技术，如热壁外延(HWE)、热丝CVD(又称为cat—CVD)、热网CVD(HM—CVD)等。 1.2 氢化物气相外延(HVPE) HVPE(又称氢化物气相外延)是早期研究Ⅲ一V族氮化物最成功的外延技术。1967年Maruska等第一次用HVPE技术制备了大面积GaN外延层。之后人们又采用金属Ga或其它金属镓化合物为镓源制备了GaN薄膜 。 HVPE具有设备简单、生长速度快(速率高达700～800μm／h)的优点，可生长均匀、大尺寸的GaN厚膜(位错密度仅为104／cm 2)，而且易实现p型和n型掺杂。HVPE设备可分为2种，即水平式HVPE(见图2)和竖直式HVPE(见图3)。 HVPE也存在一些缺点，如高生长速率将导致膜厚难以精确控制，且易出现裂纹和凹凸现象 。研究人员发现在衬底表面生长缓冲层(A1N或GaN)可有效提高GaN薄膜质量。 1.3 金属有机化学气相沉积(MOCVD) MOCVD(又称为金属有机气相外延(MOVPE))始于1971年，是目前应用最多、生长GaN薄膜性能最好的方法，已成为GaN外延层工业生产的主导技术。采用该工艺生长GaN薄膜时，通常以NH3为氮源、三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)为镓源，生长温度一般高于1000℃ 。 MOCVD工艺具有生长速率适中、膜厚可精确控制、工艺灵活性大、不需要超高真空、设备维护简单、反应室规模容易扩展等特点，因此特别适合于大面积、多片GaN外延层的工业规模生产。 但是M0CVD也存在一些不可避免的问题。首先，原料昂贵且毒性大、不稳定；其次，氨气的裂解温度较高，易引起氮空位、碳污染和热应力等问题；此外，P型材料在生长后必须进行热处理。为了降低生长温度，改善GaN薄膜的结晶质量，研究人员不断改进装置，先后发展了低压M0CVD(LP_M0CVD)、电子回旋共振一等离子体辅助MOCVD(ECR_PEMoCVD)、光辅助M0CVD等，使MOCVD设备功能趋于完善，更有利于生产高质量GaN外延层。例如，ECR—PEMOCVD与传统的MOCVD相比，采用了等离子体源活化技术，使TMGa和NH。更易于分解，极大地降低了沉积温度(可低于600℃)；同时，也可以实现低温掺杂，便于研究GaN外延层的P、n型掺杂。【2】 1.4 分子束