LPE生长GaN的不同极性面的光学性质

2021-07-12任玉娇刘宗亮董晓鸣高晓东司志伟

人工晶体学报 2021年6期

任玉娇,刘宗亮,顾泓，董晓鸣，高晓东，司志伟,3，徐科

(1.中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院，合肥 230026； 2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，苏州 215000；3.中国科学技术大学纳米科学技术学院，苏州 215000)

0 引言

GaN具有宽禁带、高电子迁移率、高电子饱和速率等特点。因为其物理化学性质稳定，具有优异的光电特性，不仅是制备高功率电子器件的理想材料，也是制备高性能发光器件的关键材料之一。目前商业化使用的一般为沿[0001]方向生长的极性面c面GaN材料，但是自发极化和压电极化电场的存在导致发光器件的光发射效率降低，严重降低器件的性能参数[1-2]。为了避免或降低内部极化感应电场对器件的影响，非极性和半极性面GaN 单晶的研究具有重要意义[3-4]。但是现有的非极性和半极性面GaN材料晶体质量较低，这已成为制约非极性GaN器件发展的重要因素。生长GaN晶体主要采用三种技术，包括氢化物气相外延(HVPE)[5-6]、氨热法[7-8]和钠助熔剂法[9-10]。本文的研究对象为钠助熔剂法液相外延(LPE)生长的GaN。钠助熔剂法的生长条件相对温和，对生长装备要求低，可以生长出大尺寸氮化镓单晶(直径大于4英寸，1英寸=2.54 cm)。

同质外延的GaN通常不需要缓冲层，就可以在籽晶上生长，因此单晶生长的过程中会出现不同极性方向的生长面[11]。晶体中缺陷情况及杂质元素的掺杂效率与晶体的生长速度和生长方向有关，不同极性方向的情况往往不同[12-13]。已有研究表明在HVPE、MOCVD、氨热法等生长过程中，不同极性方向会对生长过程中杂质和缺陷的掺入产生影响。Tuomisto等[11]证明了N极性面比Ga极性面在生长过程中会结合更多的施主和受主类型杂质以及Ga空位。因此在存在多个生长面的情况下，不同生长区域间的杂质浓度不同，就会显示出不同的光学特性。但是对于助熔剂方法来说它的生长体系复杂，对不同极性面的光学性质研究较少。

在提高GaN晶体质量的进程中，关于不同生长方向的晶体的掺杂和光学性质的研究都是非常重要的环节[14]。为了进一步了解不同极性面的生长情况，寻找合适的生长面，本课题组通过助熔剂法生长出GaN体单晶，在侧向生长出了不同极性方向的单晶，重点研究了在不同极性方向上生长的LPE-GaN的光学特性。首先，基于扫描电镜(SEM)、阴极荧光(cathodoluminescence, CL)和光致发光(photoluminescence, PL)，研究了不同极性方向的光学性质。在此基础上，结合TOF-SIMS分析了不同方向上C、O杂质元素分布对黄光带(yellow luminescence, YL)发光峰的影响。比较不同极性GaN之间的发光特性有助于从不同角度进一步探究GaN中杂质掺入及生长极性的内在机理。

1 实验

1.1 晶体生长

用于实验研究的块状GaN单晶采用自行开发的钠助熔剂方法生长，利用HVPE生长的大尺寸(0001) GaN作为籽晶进行同质外延生长，生长了厚度超过620 μm 的GaN单晶。在钠助熔剂法生长过程中，首先将籽晶放在氮化硼坩埚底部，然后将初始材料金属Ga(99.999%)、金属Na(99.9%)和碳添加剂(可以抑制多晶的产生，提高单晶产率)添加到坩埚中。将坩埚转移到实验设备中，温度和压力分别保持在830 ℃和5 MPa下15 h，然后将温度冷却至室温，从设备中取出坩埚。最后将样品拾取并抛光。

1.2 样品表征

将生长得到的单晶样品自然解离，并对它进行研磨抛光，得到尺寸为1.572 mm×2.426 mm的样品用于实验研究。然后通过高分辨 X 射线衍射分析(HRXRD)确定了样品晶向。晶体的截面形貌由SEM表征。样品的微区发光特性用CL表征。实验中采用FEI公司的Quanta 400 FEG型热场发射环境扫描电子显微镜(配有美国Gatan MonoCL3+阴极荧光谱仪附件)。利用PL得到了样品不同极性面的光学特性。实验中采用的是日本Horiba Jobin Yvon LabRAM HR800 型显微共聚焦拉曼光谱仪的PL模式。采用功率为28 mW的He-Ge 325 nm激光，测试了室温下GaN的PL谱线。以能量为500～30 keV的TOF-SIMS进行元素含量分析。

2 结果与讨论

2.1 助熔剂法生长GaN的形貌和CL特性

图1 (a)钠助熔剂法生长GaN晶体解理面的SEM照片和(b)CL荧光全色显微图像Fig.1 (a) SEM images of GaN crystal growth via Na-flux method in the cross section and (b) CL panchromatic

图的PL光谱Fig.2 PL spectra of and [0001] GaN

2.2 GaN的PL特性及杂质掺入的影响

图3 (a)不同位置(1～5，如插图所示)获得的PL光谱和(b)高斯拟合后 peak 1和peak 2的强度图Fig.3 (a) PL spectra of the GaN sample obtained from different positions (1～5, as shown in the inset); (b) the intensity of peak 1 and peak 2 after gaussian fitting

Reshchikov的大量实验证明，对于C，O浓度都不高的样品，与CN相关的谱带是YL谱带的主要来源。在纯度较低，C、O浓度都较高的样品中，不再只存在独立的CN，而是与CNON相关的跃迁导致了YL带[18]。在本实验的样品中，C、O两者浓度都较高，C浓度在1017cm-3量级，O浓度在1×1019cm-3到1×1020cm-3之间。O杂质在生长过程中被位错俘获，其作为浅施主能级，将会在光致发光过程中进一步与潜在的受主能级(CN等)复合，会形成CNON配合物。Demchenko等[15]用第一性原理计算所得的复合缺陷 CNON的PL 能量为2.25 eV，Christenson等[19]计算CNON的PL 能量为2.28 eV，都与观察到的2.2 eV相近。因此推断位于2.2 eV处的峰位主要来源于CNON[19]。对于三个区域都出现的位于2.6 eV处的峰，已有研究通过计算得出与CN的0/+能级相关的PL峰位于2.59 eV[20]，与本文得到的实验结果有较好的吻合。因此将此2.6 eV处的峰归因于电子从导带到CN缺陷的0/+能级的跃迁。