利用Al xGa1-x N在Si(111)上生长无裂纹GaN

王振晓，张 锴，李 涛，王丹丹，韩孟序

(西安电子科技大学宽带隙半导体技术国家重点学科实验室，陕西西安 710071)

GaN基半导体材料及其器件的研究取得了较大的进展，由于GaN是直接带隙的宽禁带半导体材料，其光学特性优越。最近几年，GaN基的激光器(LD)、发光二极管(LED)以及部分频段的微波功率器件等都已经实现了商品化。众所周知，GaN基宽禁带材料基本是以蓝宝石和SiC为异质衬底进行外延生长的，由于蓝宝石不导电而且热传导能力差，不适合制作大功率光电子器件，而SiC虽然可以导电且导热性良好，但是由于SiC高昂的价格，使得SiC衬底的GaN生长受到限制。由于Si衬底具有导热性好、价格低廉、尺寸大、方便集成等优点，并且Si衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统Si基器件工艺兼容，因此Si衬底也被认为是可供选择的很有前途的GaN材料外延衬底之一［1－2］。然而由于 Si衬底和GaN外延层之间存在较大的晶格失配(约17%)和热失配(约54%)，难以在Si衬底上直接获得高质量的GaN外延材料［3－4］。在Si衬底上生长 GaN，首先面临的是缓冲层的选取，尝试用高温AlN、低温GaN做缓冲层，结果都不理想，文中采用渐变Al组分的AlGaN做缓冲层生长GaN外延层，获得了良好的效果。

1 实验过程

本次实验中，采用实验室自制的MOCVD设备，在Si(111)面上生长GaN外延层薄膜，分别以三乙基镓(TEG)、三甲基铝(TMA)作为镓源和铝源，高纯NH3作为氮源，氢气作为载气。实验开始前，用氢氟酸腐蚀Si片2 min，目的是为了除去Si片上的氧化层，然后用大量流动的去离子水冲洗15 min，用N2吹干，迅速放入反应室，在940℃ H2氛围中预处理8 min，目的是除去Si衬底表面的杂质。

实验时，首先在Si衬底上生长80 nm的高温AlN，目的是阻止Si衬底与NH3的接触，防止Si－N键的生成。接着生长7 nm的低温AlN层，低温AlN的生长是三维岛状生长，为后续GaN的生长做成核层。然后是另一层的高温AlN的生长，高温AlN的生长是二维生长，在这里引入了高温AlN缓冲层的目的是使刚才三维生长的AlN逐渐变为二维生长，方便以后外延膜的生长。接下来生长的是4个AlxGa1－xN，每个生长时间20 min，不同的是Al组分的不同，第一个是Al0.5Ga0.5N，第二个是Al0.45Ga0.55N，第三个是 Al0.4Ga0.6N，第四个是Al0.25Ga0.75N，最后生长的是20 min的GaN。具体结构如图1所示。

图1 Si(111)上生长无裂纹GaN结构

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

首先在光学显微镜下观察样品的表面，如图2所示。样品表面没有出现裂纹，原因是之前生长的AlxGa1－xN很好地释放了GaN外延膜中的应力，使表面形貌得到改善，没有裂纹出现。但是，表面有较多缺陷出现，对于做成器件，这样的晶体质量还有待于提高。

图2 Si衬底GaN表面

图3是样品的AFM测试的显示结果，从图中可以看出，材料具有良好的表面形貌，表面较平整，起伏不大，说明晶体的结晶质量良好。

2.2 应力表征

对样品进行了啦曼光谱测试，得到GaN材料在E2－HIGH下的散射峰，如图4所示。

在E2模式下的峰强度适中，而且它对应力比较敏感，已经被证明了，一用来表征材料中的应力情况，相应的计算公式是

式(1)中，Δω为波数偏移量(ω为波数);k为应力系数(Si基GaN材料的系数为4.±0.3 cm－1/GPa，在一般的计算中取k=4.3 cm－1/GPa);σ为材料的水平应力［5］。如图4所示，材料的散射谱发生了红移(无应力的GaN材料的E2峰位为568 cm－1)，这表示材料中的应力为张应力［6］。

图3 AFM测试表面

图4 Si衬底GaN啦曼光谱

根据样品拉曼谱波数的偏移量，利用式(1)计算发现，GaN材料的应力约为0.23 GPa，原因在于，当利用AlxGa1－xN做缓冲层时，会引入一定的压应力和位错，这些压应力和位错会平衡GaN材料和Si衬底由于晶格失配所产生的张应力。使材料表面变得光滑平整［7－8］。

2.3 XRD表征

图5是样品的XRD测试结果。材料的XRD测试结果中，(002)面显示的是材料中的螺位错，(102)面则反映了材料中的刃位错，如图4所示，GaN(0002)面的FWMH为0.293°，可见，GaN的结晶质量较差，内部有较多的螺位错［7］，有待于进一步提升 GaN晶体的质量。

图5 XRD衍射峰

3 结束语

本实验中，采用AlxGa1－xN做缓冲层，在Si(111)衬底上生长GaN，研究了GaN薄膜的结晶质量。通过高倍数光学显微镜和AFM观测表明，GaN晶体的表面光亮没有裂纹。通过拉曼光谱测试分析发现，Si(111)面上生长的GaN中存在张应力，约为0.23 GPa。XRD测试结果显示，GaN(002)面的半高宽为0.293°。

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