AlN/藍(lán)寶石模板上生長的Al0.6Ga0.4N薄膜結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能研究*

王君君，劉寧煬，張 康，張志清，趙 維，范廣涵，張 娜，陳志濤

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)，廣東 廣州 510650

AlGaN材料可廣泛應(yīng)用于紫外光電子器件及高頻、高功率、耐高溫電子器件，因而受到極大的關(guān)注[1-2].近年來，人們對AlGaN基器件的研究取得了很大進(jìn)展[3-6]，突出表現(xiàn)在AlN/藍(lán)寶石模板上生長AlGaN材料及其質(zhì)量改進(jìn).AlGaN基器件性能的進(jìn)一步提高依賴于對AlGaN材料特性的深入研究.由于Al-N鍵和Ga-N鍵特性的差異，Al摩爾組分對AlGaN的質(zhì)量有重大影響，并將影響材料的光、電、熱等其它性能.對不同Al摩爾組分的AlGaN性能的研究已有諸多報道，P. Chen等人報道了在AlGaN/GaN(Al摩爾組分為0.23和0.4)異質(zhì)結(jié)生長過程中有島狀結(jié)構(gòu)形成，并解釋了這種島狀結(jié)構(gòu)可能是由于材料表面原子遷移率不同而形成的[7].Sun Q等人用陰極熒光方法研究發(fā)現(xiàn)，在Al0.25Ga0.75N薄膜生長方向上Al的分布相對均勻，而橫向則發(fā)生相分離[8].Pinos A等人通過室溫掃描近場PL光譜測量了AlN摩爾組分從0.3到0.5變化的AlGaN外延膜的勢能起伏[9].然而，更高Al組分的AlGaN薄膜性能的報道還很少見.本文采用高分辨XRD和低溫陰極熒光表征方法研究了Al0.6Ga0.4N薄膜的結(jié)構(gòu)性能及光學(xué)性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)的樣品是采用金屬有機(jī)物氣相沉積法(MOCVD)在AlN/藍(lán)寶石模板上生長Al0.6Ga0.4N薄膜.膜的生長溫度為1050 ℃，生長壓力為5×103Pa,三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)及氨氣分別作為Ga源、Al源和N源.高純氫氣為載氣，稀釋的硅烷(SiH4)為n型摻雜劑.首先在AlN/藍(lán)寶石模板上沉積一層0.5 μm厚非摻雜的AlGaN薄膜，然后再生長1.0 μm摻硅的AlGaN薄膜.在沉積過程中，保持AlGaN中Al組分不變，當(dāng)SiH4流量分別為0，0.1，0.5，0.7，1.0 L/min時，生長得到的樣品分別命名為樣品A，B，C，D，E.A～E 5個AlGaN薄膜樣品的膜厚均為1.5 μm.實(shí)驗(yàn)中還制備了樣品F作為對比，F(xiàn)是在AlN/藍(lán)寶石模板上只生長0.5 μm的AlGaN膜，不生長厚1.0 μm摻硅的AlGaN膜.

采用Bruker公司生產(chǎn)的D8型高分辨率X射線衍射儀，對所制備的樣品進(jìn)行ω-2θ掃描以研究其結(jié)構(gòu)性能，該衍射儀的X射線為Cu的Kα線，其波長值λ=1.05×10-6m.通過配有CL設(shè)備的掃描電鏡，在10 K溫度下對樣品的表面形貌及光學(xué)特性進(jìn)行測試.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 XRD測試結(jié)果

圖1為A，B，C，D，E五個樣品的XRD測試結(jié)果.由圖1可知，五條譜線均出現(xiàn)了AlGaN和AlN的峰，且每條譜線出現(xiàn)了三個AlGaN的峰.圖2為從5個樣品XRD掃描結(jié)果中截取的存在三個AlGaN峰的譜圖.通過AlN和GaN晶格常數(shù)線性插值計算得到，樣品中Al組分大約為60%.當(dāng)SiH4流量從0到1 L/min變化，AlGaN峰的位置呈S形變化，這可能是由于多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，如Si原子對AlGaN晶格產(chǎn)生的影響，以及在外延生長過程中不同Si摻雜水平對應(yīng)力所起的調(diào)控作用[10-12].確切的影響機(jī)制需進(jìn)一步研究.

圖1 樣品A，B，C，D，E的XRD ω-2θ掃描圖譜

圖2 樣品XRD ω-2θ掃描圖譜(AlGaN峰)

每個樣品出現(xiàn)了三個AlGaN的峰.為找出三個峰的來源，將樣品D和樣品F的XRD掃描結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3所示.由圖3可知，樣品F只出現(xiàn)一個AlGaN峰，角度為35.34°，與其他五個樣品中第一個AlGaN峰的位置相近.因此，我們可得出，峰1來源于樣品中下面厚0.5 μm非摻雜的AlGaN層，而峰2和峰3來源于上面厚1.0 μm摻Si的AlGaN層.

圖3 樣品D和F的XRD掃描結(jié)果對比圖

Fig.3Comparison of XRD results between sample D and sample F

2.2 陰極熒光測試結(jié)果

為進(jìn)一步研究相分離現(xiàn)象(峰2和峰3)，采用陰極熒光方法對樣品的光學(xué)性能進(jìn)行研究.圖4為樣品B的陰極熒光圖譜及擬合結(jié)果.從圖4可發(fā)現(xiàn)有兩個相差4 nm的發(fā)射峰(252 nm和256 nm)，證明上一層摻Si的AlGaN膜確實(shí)有兩個相存在.此現(xiàn)象與XRD結(jié)果相吻合.

圖4 在10 K下，樣品陰極熒光譜圖及擬合結(jié)果

圖5為樣品A，B，C，E在溫度為10 K時的單色陰極熒光圖像.由圖5可知，樣品A,B,C,E均未出現(xiàn)裂紋，4個樣品都出現(xiàn)雙波長發(fā)射(各發(fā)射波長見圖5).這再一次證明峰2和峰3來自上一層的AlGaN膜，即AlGaN膜中出現(xiàn)了相分離現(xiàn)象.材料中產(chǎn)生相分離的原因可能包括生長過程中應(yīng)力變化、位錯、富Al晶粒的形成等[13].1.5 μm厚非摻雜的樣品A出現(xiàn)相分離現(xiàn)象(產(chǎn)生峰2和峰3)，而0.5 μm厚非摻雜的樣品F則未發(fā)生相分離，說明相分離的產(chǎn)生與膜的厚度有關(guān).1.5 μm厚摻Si樣品B～E均出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，排除了Si摻雜是引起相分離的原因.由此可見，厚膜中的應(yīng)力弛豫促使薄膜發(fā)生相分離.另外，由于Al原子的表面遷移率很低，不同原子間的表面遷移率差異導(dǎo)致樣品表面發(fā)生聚集.因此，本文將相分離的產(chǎn)生歸因于厚膜中的應(yīng)力弛豫及Al原子低的表面遷移率.

圖5 樣品在10K下的單色陰極熒光圖像

Fig.5Monochromatic CL images of sample A taken at (a) λ=247 nm and (b) λ= 251 nm; sample B at (c) λ=252 nm,(d) λ=256 nm; sample C at (e) λ=251 nm and (f) λ= 255 nm; sample E at (g) λ=251 nm and (h) λ=255 nm.

3 結(jié) 論

采用MOCVD法在AlN/藍(lán)寶石模板上生長的Al0.6Ga0.4N膜，通過高分辨XRD及陰極熒光測試表明Al0.6Ga0.4N膜出現(xiàn)了相分離現(xiàn)象，其原因?yàn)楹衲ぶ械膽?yīng)力弛豫及Al原子低的表面遷移率.

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