【正文】 50℃生長出完美的GaN 單晶材料。對于Si 襯底上生長GaN單晶, 首先在1150℃生長AlN 緩沖層, 而后生長GaN 單晶。生長該材料的典型條件如下:NH3　　3L/ minTMG 20??mo l/ min?、? Ⅲ= 6500N2 3～4L/ minH2 1L/ min人們普遍采用Mg 作為摻雜劑生長p 型GaN , 然而將材料生長完畢后要在800℃左右和在N2 的氣氛下進行高溫退火, 才能實現(xiàn)p型摻雜。本實驗采用Zn 作摻雜劑, DeZn/ TMG= 0. 15, 生長溫度為950℃, 將高溫生長的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, 可望實現(xiàn)p 型摻雜。 生長的GaN 材料的測試結(jié)果 我們對材料分別進行了Hall、x 射線雙晶衍射及PL 譜測試。Hal l 測試載流子濃度/ cm 3Hall 遷移率/ cm 2V 1s 1純度GaNn∶n1017～n 1018200～341摻Zn GaNp∶2101820摻Mg GaNp∶4101719　Hall 測試　　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)N2 載氣流量增加, 外延層n 型載流子濃度下降, 多層生長時遠離氣流的襯底外延層溫度低。純GaN 最高遷移率為341cm2/ Vs。對于摻Zn 的樣品, Zn 在GaN中的能級較深, 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一步研究。摻Mg 的GaN, 當(dāng)氣相中生長后, N2 氣中自然原位退火, 材料呈現(xiàn)p 型,其濃度為41017/ cm3。x 射線雙晶衍射結(jié)果 為藍寶石上生長的3??m 厚GaN 的雙晶衍射測試結(jié)果, 測得的半峰寬為7′,說明GaN 的晶體質(zhì)量還是可以的?！≡谒{寶石上生長的GaN 雙晶體衍射搖擺曲線室溫PL 譜測試藍寶石襯底上生長的純度GaN 材料, 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, 有的認為是由于GaN 中深能級與缺陷引起[13] , 也有人認為是Ga 空位引起[14] 。本實驗使用的源如T MG 和N H3 都為國產(chǎn)源, 純度較低, 其中NH3 只有4N, 使用進口NH3 ( 6N ) 可能對材料的質(zhì)量有所提高?！絑n GaN 的室溫PL 光譜在藍寶石襯底上制備的摻Zn GaN 材料, 所示, 有很強的430nm 藍光峰, 其強度比純度GaN 本征峰強40 倍, 并且未出現(xiàn)580nm 的黃光峰。隨著Zn 摻雜濃度的提高, 發(fā)射波長逐漸增大[15] , 其原理很可能是高摻Zn 以后GaN 的能帶收縮引起的。　藍寶石襯底上生長的摻Zn GaN 材料PL 光譜圖在硅上生長GaN 材料PL 所示, 具有370nm 的本征峰, 未出現(xiàn)580nm 的黃光峰, 出現(xiàn)了730nm 紅光峰, 由DA 躍遷所致。其本征峰強度比藍寶石生長的GaN 強2 倍, 證明我們已可以在硅襯底上生長高質(zhì)量的GaN。由于硅的來源豐富, 價格便宜, 用硅襯底生長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, 從長遠看是很值得開發(fā)的研究方向。　Si ( 111) 襯底上生長的材料的PL 譜第六章 結(jié)論本文克服了傳統(tǒng)的橫向外延工藝多步、復(fù)雜等缺點，利用 MOCVD 在藍寶石襯底上無掩模橫向外延生長GaN 薄膜，提高了GaN 薄膜的各項性能，并對外延過程的生長條件進行優(yōu)化研究，得到如下結(jié)論：1. 通過在不同化學(xué)腐蝕時間下，腐蝕藍寶石襯底，以形成不同腐蝕圖案，然后在一定的圖案的藍寶石襯底上外延生長高質(zhì)量的GaN薄膜。這樣生長的薄膜不存在應(yīng)力變化，不會產(chǎn)生較大的晶向傾斜和小角度晶界，也大大簡化了外延生長的工藝。2. 經(jīng)過上述的測試分析說明，經(jīng)過腐蝕的藍寶石襯底上的 GaN 外延層質(zhì)量要優(yōu)于未經(jīng)腐蝕的一側(cè)，并且插入中溫插入層更進一步提高了外延層質(zhì)量。這也驗證了我們對于此橫向外延生長機制的分析，證明利用帶有中溫插入層的無掩模橫向外延技術(shù)可以生長出位錯密度較低的表面形貌明顯提高的GaN 薄膜。 3. 用常壓MOCVD 方法我們在藍寶石( 0001) 、Si ( 111) 襯底上, 成功地制備出GaN單晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步測試結(jié)果。純度GaN 為n 型載流子, 濃度為1017～1018cm 3 , 遷移率為200～350cm2 / Vs。雙晶衍射半峰寬為7′,室溫PL 光譜本征發(fā)光波長為370nm, 摻Mg 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[1]. 張帷， 劉彩池，馮玉春，橫向外延過生長GaN薄膜的研究，材料物理與化學(xué)[2]. 彭冬生，馮玉春，王文欣，劉曉峰，施煒，牛憨笨，藍寶石表面處理對GaN薄膜的影響，光子學(xué)報[3]. 張 帷，郝秋艷，陳貴峰，解新建，景微娜，劉彩池，馮玉春，郭寶平，衛(wèi)靜婷，改進緩沖層結(jié)構(gòu)MOCVD 無掩模橫向外延制備GaN 薄膜的研究，河北工業(yè)大學(xué)[4]. 張帷， 劉彩池， 郝秋艷， 選擇性生長技術(shù)制備GaN 薄膜的研究. 半導(dǎo)體技術(shù)[5]. 趙麗偉，滕曉云，郝秋艷，朱軍山，張帷，劉彩池，金屬有機化學(xué)氣相沉積生長的GaN膜中V缺陷研究，液晶與顯示[6]. 滕曉云，劉彩池，郝秋艷，趙麗偉，張帷，Si 襯底GaN 基材料及器件的研究, 半導(dǎo)體技術(shù)[7]. Liwei Zhao, Caichi Liu, Xiaoyun Teng, Qiuyan Hao, Shilong Sun, Wei Zhang, Vanadium defects formation mechanism in undoped GaN grown on silicon, J. Rare Earths[8]. Nam 0 H, Bermser M D, Zheleva T S, et al. Lateral epitaxy of low defect density GaN layers via organometallic vapor phase epitaxy[9]. Amano H, Sawaki N, Akasaki I, et al. Metal organic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer[10]. , , , , [11]. , , et al., J. Electron. Mater.[12]. , , . Yu, M. Benamara et al.[13]. Nishida K. Int ernat ional S ymposium on Blue, LD amp。 LE DChiba L iniv[14]. Zhang X, Rageghi M. The First Int ernat ional Symposium on GaN amp。 Related Materials. MRS Fall Meeting symposia ium AAA, Bost on, M A[15]. Toru Sasaki, Sakac Zem but su. Subs t rat eOri ent ation Dependence of GaN Single Crystal Films Grow n by MOVPE致謝 在本論文完成之際，我由衷地感謝我的老師，本文的研究工作是在老師的細心講解有關(guān)ＣＶＤ的知識并且精心指導(dǎo)和啟發(fā)下完成的，如論文的選題，如何來研究和解決有關(guān)問題等等。作為剛進入大三行列的我并沒有那么多的經(jīng)驗和知識儲備來完成一整篇科技論文的撰寫，所以老師在一定范圍內(nèi)允許我們借鑒，也因此這篇論文得以完成。論文的字里行間包含了很多導(dǎo)師和學(xué)生們的辛勤汗水和心血。我僅僅是大量的去接觸這些方面的知識，把重要的精神思想、探索方式、以及結(jié)論匯總到一起而已。所以還要感謝這些科技文獻的作者們，是他們淵博的知識、深邃獨特的思維方式、科學(xué)的研究方法、豐富的實踐經(jīng)驗令學(xué)生受益終身，同樣的這也是我在科學(xué)研究的道路上可持續(xù)進步的力量和源泉。此外，還要感謝學(xué)校，是學(xué)校為我們提供了一個強大的數(shù)據(jù)信息庫，讓我們可以大量的自由的去接觸自己感興趣的學(xué)