(11^-02)r面蓝宝石生长的(11^20)a面氮化镓研究

2009年 12月 第 36卷 第 6期 西安电子科技大学学报(自然科学版) JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY Dec．2009 V01．36 NO．6 (1—102)r面蓝宝石生长的(11—20)a面氮化镓研究 许 晟 瑞，段 焕 涛， 郝 跃， 张进 城 ， 张 金 凤， 倪 金 玉， 胡 仕 刚， 李 志 明 (西安电q-科技大学 宽禁带半导体材料与器件教 育部重点 实验室 ，陕西 西安 710071) 摘要 ： 自发极化和压 电极化是氮化镓 制作光 电器件没有解决 的问题 ，对非极性 GaN材料 的研 究解决 了 极化现象．采用低温 AIN作为缓冲层，在 (1To2)r面蓝宝石和(0001)f面蓝宝石上分别生长 了(1120)非 极性 d面和(0001)极性 C面 GaN，用原子力显微镜和高分 辨 X射线衍射 、光致发光谱 比较 了生长在 r面 蓝宝石上的Ⅸ面GaN和r面蓝宝石上的c面GaN，n面GaN材料质量和 c面GaN相差较大，在a面GaN 上发现 了三角坑的面形貌 ，这和传统 的 c面生长的极性 GaN 截然不 同．对 n面 GaN 的缺 陷形 成原 因 进 行 了讨论 ，并且确定 了三角坑缺 陷的晶向． 关键词 ：缺 陷；氮化镓 ；X射线衍射 ；非极性 中图分类号 ：TN325 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001—2400(2009)06—1049一O4 Study of(1 120)non polar a-plane GaN on the (1 102)r-plane sapphire XU Sheng—rui。DU_AN Huan—tao，HA0 Yue，ZHANG Jin—cheng， ZHANG】tn—feng，NI Jin— n，HU Shi—gang，LI Zhi—ruing (Ministry of Education Key I ab．of W ide Band—Gap Semiconductor Materials and Devices。Xidian Univ．，Xi’an 710071，China) Abstract： The spontaneous and piezoelectric polarizatio represent one of the unsolved problems in utilizing( aN for fabricating light—emitting devices．To solve the problem，non—polar GaN structures have been studied．I OW—temperature A1N buffers are used for(1120)a—plane GaN growth on the(1102)r_ plane sapphire．A combination of atomic force microscopy (AFM )，high resolution X—ray diffraction (XRD)and photoluminescence(PL)spectrum is used to characterize dislocation of the(1 1 20)口一plane and(000 1)c plane GaN epilayer．Compared with the typical hexagonal dislocation of c—plane GaN，this shows great difference with the conventional polar GaN ， and the pit of the 口一plane GaN epilayer is triangle，with the possible formation mechanisms of these faults discussed and the triangular pit directions also investigated． Key Words： dislocation；GaN；X—ray diffraction；nonpolar 作为化合物半导体微波功率器件的 GaAs MESFET，在过去 20多年的发展 中几乎已经使其性能达到了 材料的极限．2O世纪 80年代初 GaAs MESFET的最高输出功率已达到1．4W／mm(在8GHz时)．虽然后来 人们不断尝试各种方法提高其性能，但是功率密度 的提高非常有 限，最高功率密度只达到1．57W／mm(在 1．1 GHz时)，而且这是在牺牲工作频率的情况下获得的． 宽带隙氮化物半导体氮化镓(GaN)和氮化铝(A1N)在实验和理论上得到普遍的重视，它们具有独特的 性质，如高电子迁移率、宽能隙和稳定的温度特性，使它们可用于工作波段从蓝光到紫光的激光器、发光二极 管以及高温光电器件，有着巨大潜在的应用前景和市场．而低维半导体材料制备技术分子束外延(MBE)及 收稿 日期 ：2008—09 06 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助(60736033)；973计划项目资助(513270407) 作者简介：许晟瑞(1 981)：男，西安电子科技大学博士研究生，Email：shengruixidian@126．corn． 1050 西安 电子科技 大学学报 (自然科学版) 第 36卷 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的发展与成熟，进一步推动了人们对 GaN材料的研究 ． 但是，GaN薄膜通常是沿着其极性轴(也就是 C轴)生长的，由自发极化和压电效应而产生的强大的内建 电场大大地降低了发光效率，内建电场的存在使能带弯曲、倾斜，能级位置发生变化，发光波长发生蓝移．同 时由界面电荷产生的电场还会使正负载流子在空间上分离，电子与空穴波函数的交迭变小，使材料的发光效 率大大地降低．避开极化效应的最根本方法是生长非极性面的 GaN基材料，从而彻底消除极化效应的影 响 。 ．目前普遍采用的用于制备非极性 GaN基材料的技术途径有两种：(1)在 LiALO 的衬底上利用MBE 技术生长(1100) 面 GaN；(2)在 r面(1102)蓝宝石衬底用 MBE，MOCVD和 HVPE技术生长 a面(112O) GaN材料．r面蓝宝石因其在高温下稳定 ，且在其上生长的 GaN材料背底掺杂浓度低 ，是一种更有前途的衬 底材料 ，因此在 r面蓝宝石上生长 a面 GaN成为这一领域的研究热点 5¨ ]． 1 试 验 笔者研究的 GaN异质结材料是采用 MOCVD技术 ，分别在 C面蓝宝石和 r面蓝宝石衬底上生长的，并 以 TEGa，TMA1和 NH。为 Ga源、Al源和 N源 ，高纯 H 为载气 ，生长压力为40×1．333 22×10。Pa．首先在 衬底上生长一层约3O nm厚的 A1N成核层，紧接着生长一层约1 250 nm厚的未掺杂GaN缓冲层，由于 C面氮 化镓是在c面生长，而a氮化镓是在 ，一面生长 ，r面和c面 成 57．6。角．a面氮化镓的生长方向以及c面氮化镓 的生长方向如图 1所示．图 1(a)为蓝宝石衬底及上面生长的氮化镓示意图，32轴平行于蓝宝石(1102)面的 法线方向，Y轴和 z轴分别平行于蓝宝石的(1120)面和(1101)面L7 ]．图 1(b)为 a面的原子排列图，a面内的 原子排列和c面截然不同，c面的每一个面内都是同一种类的原子(Ga或者 N)，而a面并非都是同一种类的 原子 ，而是 Ga和 N原子交替排列．这也是 C面和 a面 GaN材料特性有较大差异的根本原因． (1 12O) (1 102) ， 宝石／／ ／[1i．20o％ ．, 。 GaN GaN [0001】 GaN ⋯ L 删 (a)蓝宝石村底及外延生长的氮化镓示意图 (b)d面的原子排列及--~cN和m面的关系图 图 1 蓝 宝石衬底 外延 晶向及 氮化镓 原子排 列图 笔者用原子力显微镜和高分辨 XRD、光致发光谱比较了生长在 r面蓝宝石上的a面GaN和C面蓝宝石 上的 C面 GaN的结晶质量 、表面形貌 、缺陷结构 ，了缺陷差异的原因，发现了极性面的蓝移现象． 2 实验结果分析和讨论 。面和C面 GaN的 AFM 10 m×10 ym表面形貌图如图2所示，c面 GaN表面较平整，出现了原子台 阶，有很少的缺陷，而 a面 GaN出现了三角坑的表面形貌，三角坑大小并不一致，但是三角坑的所有斜边、直 角边均有相同的方向．这种三角坑可以用在 C面 GaN上经常出现的 V型缺陷来解释．在 c面 GaN生长过程 中由于品格失配和热失配，经常产生 V型缺陷 。 ，如图 3(a)所示．这种缺陷沿着 c轴呈现一个三角锥形状， 由于n面和C面的垂直关系，在a面上呈现了三角形状，直角三角坑的斜边是沿着m轴的，而斜边的中垂线是 沿着 c轴的反方向，坑底的两个对称斜面是两个倾斜的[1011]面．均方根粗糙度是反映材料表面形貌的一个 重要参数．AFM 10 m×10 m a面 GaN的均方根粗糙度为12 nm，而 AFM 10fzm×10／zm C面 GaN的均方 M O O O ． 驯 ．Ⅲ一 l 5 一● -一● ． =_= 凌 第 6期 许 晟瑞等 ：(1102)r面蓝宝石生长的(1120)d面氮化镓研 究 1051 镑 ? 囊 (a)ⅡNGaNi~JAFMlO!amXlOum表面形貌圈 (b)cNGaN~jAFM lOiam×lOlam表面形貌图 ’ 图2 极性面和非极性面 AFM表面形貌比较 根粗糙度为1．3 nm，两种材料的表面平整度相差较大 ，这也是 。面 GaN材料的一个国际性问题 ，很多人采用 ELOG的方法进行生长 “ ． f a)c面GaN的v型缺陷 (b Ⅱ面GaN的AFM 1 m×1 m表面形貌图 图 3 非极性 GaN缺陷产生原理及 1／*mX 1 m AFM 形貌 图 骚 2 o1( ) 2o1( J (a)c面的29～∞扫描显示的蓝宝石峰位 、GaN峰位和AlN峰位 (b)4面N2o 扫描显示的蓝宝石峰位、GaN峰位和AlN峰位 图 4 极性面和非极性 面的 2 ～ oJ扫描 比较 图 高分辨 X射线衍射(HRXRD)技术是一种无损伤的研究材料结构的方法，也是 目前材料表征的一种重 要方法．为了更进一步地分析两种材料的结晶质量 ，笔者采用高分辨 X射线衍射仪进行了 2臼～ 扫描 ，确定 了极性面和非极性面的材料及衬底峰位及半高宽，见图 4．极性 r面 GaN的峰位在 34．6。，C面 A1N的峰位在 35．8。，蓝 石衬底的峰位在 41．6。．对于非极性材料 ，蓝宝石峰位在 52．7。。GaN的峰位在 57．6。，n面 A1N的 峰位在 58．6。．非极性 GaN的半高宽为 0．23。，而极性 OaN的半高宽为 0．10。．半高宽越小，材料质量越好 ，它 能反映两个问题：第一，外延膜结晶的完整性；第二，外延膜的厚度均匀性．也就是说由于材料质量的不同导 致的布拉格衍射峰的宽度不同，位错越多则布拉格峰越宽．极性材料的半高宽比非极性材料的一半还小，这 说明非极性材料的质量确实和极性材料有很大差距，目前非极性材料的生长也是一个国际性难题l_】 ． 1O52 西安电子科技 大学学报(自然科 学版) 第 36卷 为了比较研究a面和c面的光学性质，使用325 nlTl的氦镉激 光器进行了常温 PL谱测量，结果如图 5所示．从光致发光谱可 以看出，C面氮化镓的光致发光强度要比a面氮化镓的强，但是 光致发光谱都是由黄带(YB)、蓝带(BB)和紫外带(UVB)组成． 黄带和蓝带主要是由于施主和受主的复合引起的，而紫外带是 篓 由于带带复合引起 的[1 ¨ ]．c面的发光强度 比a面的强 ，这是 由 ， 于c面材料的质量较好 ，而 a面材料的结晶质量是一个国际性问 题 ，目前是 国际上研究的热点． 1 7 3 总 结 能量 图 5 口面和 c面氮化镓常温 PL谱 笔者采用低温 A1N作为缓 冲层，在 (1102)r面蓝宝石 和 (OOO1)c面蓝宝石上分别生长了(1120)a面和(OOO1)c面 GaN．用原子力显微镜和高分辨 XRD、光致发光谱 比较了生长在 r面蓝宝石上的a面 GaN和 c面蓝宝石上的c面 GaN，发现 a面 GaN材料质量和 c面 GaN相 差较大，a面 GaN出现了三角坑的表面形貌，这和传统的 f面生长的极性 GaN截然不同．对 n面 GaN的缺 陷形成原因进行了讨论 ，并且确定 了三角 坑缺陷 的晶向．对于 ELOG非极性 面的 GaN，将在后续 工作 中 研究． 参考文献： Eli 张进城，郝跃，王冲，等．基于蓝宝石衬底的高性能 A1GaN／GaN二维电子气材料与 HEMT器件[J]．半导体学报， 2004，25(1O)：1281—1284． Zhang Jincheng，Hao Yue，Wang Chong，et a1．Super A1GaN／GaN Two—dimensional Electron Gas Materials and HEMT Devices on Sapphire Substrates[J]．Chinese Journal of Semiconductors，2004，25(10)：1281—1284． [2] Shen L，Keller S，Chakraborty A，et a1．Nitride-based High Electron Mobility Transistors with a GaN Spacer[J]． Applied Physics Lerrers，2006，89(17)：073508—1—073508—3． [3] 张金凤，郝跃．A1GaN／GaN中二维电子气研究新进展[J]．西安电子科技大学学报，2003，30(3)：326—330． Zhang Jinfeng，Hao Yue．AIGaN／GaN Two—dimensional Gas：a Critical Review[J]．Journal of Xidian University，2003， 30(3)：326—330． [4] Ju W T，Daniel A，Gu L，et a1．Epitaxial Lateral Overgrowth of Gallium Nitride on Silicon SubstrateEJ~．Journal of Crystal Growth，2004，263(4)：30—34． [5] 颜建锋，张洁，郭丽伟，等．r面蓝宝石衬底上采用两步 AIN缓冲层法外延生长a面 GaN薄膜及应力研究[J]．半导体 学报 ，2007，28(10)：1562—1567． Yan Jianfeng，Zhang Jie。Guo Lili，et a1．Growth and Stress Analysis of口一plane GaN Films Grown on r-plane Sapphire Substrate with Two—step A1N Buffer Layer[J]．Journal of Semiconductors，2007，28(10)：1562—1567． [63 Theeradeteh D．Green Light Emitting Diodes on口一plane GaN Bulk Substrates[J]．Applied Physics Letters，2008，92 (24)：241109—1—241109—3． [7] Roder C，Einfeldt S，Figge S．Stress and Wafer Bending of口一plane GaN Layers on r-plane Sapphire Substrates LJ]． Journal of Applied Physics，2006，100(10)：103511-1—103511—2． [8] wu Feng，Craven M D，Lim S H，et a1．Speck Polarity Determination of n—plane GaN on r-plane Sapphire and Its Effects on Lateral Overgrowth and Heteroepitaxy[j]．Journal of Applied Physics，2003，94(2)：942—947． E9] Ni x，Fu Y，Morkoc H B．Optimization of Ell一20]口一plane GaN Growth by MOCVD on[1—102]r-plane Sapphire[J]． Journal of Crystal Growth，2006，290(1)：166—170． [10"1 Ko T S，Wang T C，Gao R C．Study on Optimal Growth Conditions of口一plane GaN Grown on r-plane Sapphire by Metal—organic Chemical Vapor Deposition[J]．Journal of Crystal Growth，2007，300(2)：308—313． r113 Craven M D，Lim S H，Wu F．Threading Dislocation Reduction Via Laterally Overgrown Nonpolar(11—20)口一plane GaN [J]．Applied Physics Letters，2002，81(7)：1201—1203． (下转第1058页) 1058 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第 36卷 on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，2005，24(9)：1362—1371 ． [14]HotSpot 4．1．Temperature Modeling ToolEEB／OL]．[2oo8—03—24]．http：／／lava．cs．virginia ． edu／HotSpot／． [153 Link G M，Vijaykrishnan N．Thermal Trends in Emerging Technologies Ec]／／Proceedings of the 7th Internationa1 Symposium on Quality Electronic Design．Washington：IEEE Computer Society，2006：625—632 ． [16] Huang Wei· HotSpot--a Chip and Package Compact Thermal Modeling Methosology for VLSI Design [D] ． Charlottesville：Department of Electrical and Computer Engineering University of Virginia ， 2007． E173 Bakoglu H．Circuits，Interconneetions and Packaging for VLSI[M]．New Jersey：Addison—Wes1ey Pub(sd)，1990 ． [183 Chen Guoqing，Friedman E G．Low-power Repeaters Driving RC and RLC Interconnects with De1av and Bandwidth Constraints[J]．IEEE Trans on Very Large Scale Integration Systems，2006，14(2)：161—172． [19] Su Haihua，Liu F，Devgan A， et a1． Full Chip Leakage Estimation Considering Power Supply and Temperature Variati0ns[c]／／Proceedings of the 2003 International Symposium on Low Power E1ectronics and Design． New York： Association for Computing Machinery，2003：78—83． [2O]ITRS．International Technology Roadmap for semiconductors[EB／0L]．E2oo8—03—21]．http：／／www．itr net／ ． (编辑：郭 华) (上 接 第 1052页 ) [12] Jurg6nas S，Kuokgtis E，Miasojedovas S，et a1．Increase of Free Carrier Lifetime in Nonpolar n—plane GaN Grown bv Epitaxial Lateral Overgrowth[J]．Applied Physics Letters，2004，85(5)：771—773． [13] Imer B，wu F，S J，et a1．Growth Evolution in Sidewall Lateral Epitaxial Overgrowth(SLEO)[J]．Journal of Crystal Growth，2007，306(2)：330—338． [1 4] Vennegues P，Beaumont B，Bousquet V，et a1．Reduction Mechanisms for Defect Densities in GaN Using Ohe-or Two— step Epitaxial Lateral Overgrowth Methods[J]．Journal of Applied Physics，2000，87(9)：4175—4181． [15] Reshchikov M A．Strong Suppression of the Yellow Luminescence in C-doped GaN in Air Ambient[J]．Applied Physics Letters，2006，89(23)：232106—1—232106—3． [16] Ozgfir U，Ni x，Fu Y．Near-field Scanning Optical Microscopy and Time-resolved Optical Characterization of Epitaxial Lateral Overgrown C-plane and a-plane GaN [J]．Applied Physics Letters，2006，89(26)：262117—1—262117—3． [17] Reshchikov A，Morko H．Luminescence Properties of Defects in GaN[J]．Journal of Applied Physics，2005，97(6)： 06】3O】一】一O6】3O】一95． (编辑：郭 华)