以蓝宝石为衬底外延生长的氮化镓基膜材料的电子显微学研究

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	以蓝宝石为衬底外延生长的氮化镓基膜材料的电子显微学研究
	闫鹏飞
学位类型	博士
导师	隋曼龄
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料物理与化学
关键词	氮化镓位错电子显微学氧化铝
摘要	"外延生长的氮化镓薄膜材料，在当代及今后的半导体产业发展中有着广阔的应用前景。但由于其特殊的材料制备工艺，它的外延膜中通常会存在大量的缺陷，这些缺陷可能会对材料的性能造成一定影响。因而对材料中常见的缺陷的表征，及其形成机理的分析，对于材料的制备工艺有着重要的指导意义。本文主要通过电子显微术这一有力的显微结构表征手段对外延生长的GaN基薄膜体系中的位错行为进行研究，以期探索和理解以蓝宝石为基体的GaN基薄膜体系中位错行为，并结合光致发光谱实验和拉曼实验探索了缺陷、内应力和结构设计对材料发光性能的影响。另外，本文还详细表征了应用激光剥离技术把GaN薄膜从蓝宝石基体上剥离时，脉冲激光对两者界面区域所造成的结构影响。本文主要分三个部分来总结相应的研究成果： 1．低铟含量GaN基薄膜发光性能不均匀的研究分析在用低铟含量（<10%）的InGaN作为多层量子阱中的阱层材料制备紫外或近紫外的发光材料时，通常所获得的材料的发光性能很不均匀。也就是说，整个晶圆基片上各点的发光强度和发光波长会存在重大差异。因而，它制约了低铟含量GaN基发光材料应用商业化所必需的可靠性。在这部分内容中，作者取用了一个典型的发光性能不均匀的晶圆样品，通过多种表征手段以期从显微结构的角度认识造成这种发光性能不均匀的原因。通过对不同区域的样品进行结构分析，作者发现，在发光强度较好且发光波长较长的区域，InGaN量子阱的厚度相对较厚，而铟含量也相对较高，而且整个外延膜生长质量较好，很少发现有基面位错的存在，相应地材料中的内应力较大。在发光强度弱且发光波长相对较短的区域，量子阱则较薄，且铟含量稍低，自掺硅层以上区域在薄膜中经常观察到基面位错的存在，同时材料中内应力稍小。在发光强度较弱但发光波长较长的区域，则发现量子阱区域存在大量的基面位错，且贯穿位错的密度也增加了近一倍，而量子阱区中InGaN量子阱的厚度较厚，而铟含量也较高。综合以上结构分析，得出的结论是：材料的发光性能与量子阱层中InGaN量子阱的厚度和其铟含量密切相关。薄膜中，贯穿位错对发光性能影响很小，由其引入的V型缺陷对发光性能也影响很小。基面位错在掺Si层以上大量产生，证明其晶格质量明显下降，这时会释放薄膜内的部分应力；只有当基面位错大量存在于量子阱区域时，才能对样品的发光性能造成较大的影响。 2. GaN中基面位错增殖机制的研究位错作为氮化镓薄膜中最常见、最主要和最难以避免的缺陷，严重地阻碍着氮化镓器件质量的提高和应用的推广，因而，了解氮化镓薄膜中的位错行为是非常有意义的。这一章节主要利用电子显微学方法对样品中的位错进行了详细的表征和分析。作者发现，由于量子阱区不同成份间的晶格失配引起的应力开动了次滑移系1/3<11-23>{11-22}上的锥面位错，样品中发现的锥面位错环是从表面引入的，当它们扫过量子阱区域时，引入了一些新的锥面异质结界面，这些界面处由于应力均衡被破坏而易于开动基面滑移系1/3<11-20>(0001)。相应地，实验中观察到大量的基面位错沿界面扩展，以释放失配应力。从平面样品中观察到了这种交互滑移形成的大的缺陷带。它们对多层量子阱区的材料质量造成了严重破坏，必然损害了材料的发光性能。先前在砷化镓基半导体材料中报道提出过位错增殖的“纽结模型”（kink model）。在此基础上，作者通过对外延生长的GaN薄膜中的位错进行了电子显微学表征，从实验上首次观察到该机制在GaN薄膜中的存在。实验中观察到贯穿位错通过其中一部分的弓出而形成新的基面位错的位错“弓出机制”。由于贯穿位错是GaN基薄膜中大量存在的一种缺陷，相比于前人所提出的各种基面位错的增殖机制，这种机制具有更多更普遍的形核中心，因而，它可能是GaN薄膜中更具有普遍性的基面位错的产生和增殖机制。 3．脉冲激光剥离技术对GaN/ Al2O3界面处材料结构的影响在Al2O3基体上外延生长的GaN薄膜，通常会受到来自基体较大的压应力，（~0.7GPa）, 这种应力的存在容易引发薄膜中缺陷的扩展，从而给器件造成不良影响。另外，氧化铝的导热性很差，因而在作为高功率器件时，热量不易散出。因而，在实际应用中，经常会把氧化铝的基体用脉冲激光辐照的方式给剥离掉。这就是所谓的LLO（Laser Lift-Off）技术。本章中，作者通过电子显微学的表征手段对经过LLO处理后的氮化镓薄膜和氧化铝基体进行了研究，发现这种剥离技术不仅在氮化镓薄膜的剥离面上产生了一定厚度的结构损伤层，同时其快速加热的效应使界面处的氧化铝基体发生从a相到γ相的马氏体转变。氮化镓薄膜中的损伤层，主要产生了许多既有a分量又有c分量的位错环，另外也观察到了辐照引入的基面层错，这一损伤层的厚度在180nm左右。在氧化铝基体界面处的马氏体相变，厚度在100nm左右。通过详细的电子显微学表征，分析了相变层与基体的晶体学取向和相变层中变体间的晶界形态，并借助于界面位错模型，以实验观察到的界面处的四分之一不全位错为依据，阐述了这一马氏体相变的机制。并提出其在氧化铝增韧方面潜在的应用价值。"
其他摘要	The GaN based epitaxial thin-films have tremendous applications in the industry of semiconductor. However, due to the lack of suitable substrate for epitaxial growth, high densities of defects are always unavoidable in the epitaxial films. These defects will influence the light emission performance of GaN based devices. Thus, characterizing the defects in the GaN based epitaxial films and finding out their generation mechanisms are very important to improve the quality of the materials. In this dissertation, the microstructure of epitaxial GaN based films has been studied with transmission electron microscopy (TEM) techniques. By analyzing the results from photoluminescence (PL) experiment and Raman experiment, the influence of defects, internal stress and microstructure on the material’s light emission properties has been explored. As an important technique in the processing of GaN devices, the influence of laser lift-off (LLO) technique on the microstructure of materials (both GaN film and sapphire substrate) has been characterized by TEM. The main results are as follows:
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64273
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	闫鹏飞. 以蓝宝石为衬底外延生长的氮化镓基膜材料的电子显微学研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.