梯度鋁鎵氮緩沖層對氮化鎵外延層性質(zhì)的影響

李寶珠， 黃 振， 鄧高強， 董 鑫， 張源濤， 張寶林， 杜國同

(集成光電子國家重點聯(lián)合實驗室 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

梯度鋁鎵氮緩沖層對氮化鎵外延層性質(zhì)的影響

李寶珠， 黃 振， 鄧高強， 董 鑫*， 張源濤*， 張寶林， 杜國同

(集成光電子國家重點聯(lián)合實驗室 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

氮化鎵； 梯度鋁鎵氮緩沖層； 晶體質(zhì)量； 應(yīng)力

1 引 言

近年來，以氮化鎵(GaN)為代表的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在發(fā)光二極管(LEDs)、激光器(LDs)以及高溫、高頻、大功率集成電子器件中[1-6]。由于GaN同質(zhì)外延襯底價格昂貴，所以藍(lán)寶石(Al2O3)、硅(Si)和碳化硅(SiC)等異質(zhì)外延襯底的使用較多[7-9]。其中，SiC襯底與氮化物的晶格失配較小(與GaN約3.5%，與AlN約1%)[10]，且熱導(dǎo)率較高(4.9 W·cm-1·K-1)[11]，這使得SiC成為外延GaN材料的理想襯底。但目前SiC襯底的異質(zhì)外延生長過程中存在幾個技術(shù)難題，比如SiC與GaN之間較大的熱失配(約33.1%)[12]，會導(dǎo)致在降溫過程中薄膜內(nèi)產(chǎn)生較大的張應(yīng)力。當(dāng)GaN外延層較厚時，張應(yīng)力不斷積累，進而導(dǎo)致薄膜中裂紋的產(chǎn)生。這會對器件的性能和可靠性造成很多不良影響。針對這個問題，國內(nèi)外許多學(xué)者通過優(yōu)化緩沖層的生長條件來改善薄膜中的結(jié)晶質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)，已經(jīng)取得了大量的工作進展。2008年，美國的J.Acord等人討論了SiC襯底上漸變AlxGa1-xN緩沖層厚度和Al組分對GaN外延層晶體質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)的影響[13]。2011年，中科院的陳耀等人通過插入高溫AlN緩沖層來降低GaN薄膜中的應(yīng)力，優(yōu)化了GaN外延層的晶體質(zhì)量，并討論了AlN緩沖層的生長溫度、厚度以及V/III比對GaN外延層的晶體質(zhì)量的影響[14]。近年來，一些學(xué)者通過優(yōu)化梯度AlGaN緩沖層的生長條件來制備高質(zhì)量的GaN外延層。2001年，韓國的Kim等人對比了AlN緩沖層上直接生長GaN外延層和插入梯度AlxGa1-xN(x=0.87～0.07)緩沖層之后生長GaN外延層兩種方法[15]，研究結(jié)果表明：插入梯度AlGaN緩沖層有助于降低GaN薄膜中的位錯密度。2006年，程凱等人通過插入4層梯度AlxGa1-xN(x=0.73～0.25)緩沖層的方法降低GaN薄膜中的張應(yīng)力[16]。2010年，臺灣的Huang等人討論了梯度AlxGa1-xN(x=0.7～0.1)緩沖層對GaN薄膜特性的影響[17]，研究結(jié)果表明：插入梯度AlGaN有助于改善GaN外延層的表面形貌、發(fā)光特性以及晶體質(zhì)量。2015年，北京大學(xué)的程建鵬等人討論了單層AlGaN緩沖層和雙層梯度AlxGa1-xN(x=0.23，0.52)緩沖層對GaN外延層應(yīng)力狀態(tài)的影響[18]，研究結(jié)果表明：插入低Al組分的梯度AlGaN緩沖層有助于降低GaN薄膜中的位錯密度。這些研究都是以Si為襯底，到目前為止，在SiC襯底上優(yōu)化梯度AlGaN緩沖層的生長條件來制備高質(zhì)量GaN薄膜的方法還很少被報道。

本文在6H-SiC襯底上插入了高溫AlN緩沖層和3層梯度AlxGa1-xN (x=0.8,0.5,0.2)緩沖層，并通過改變AlGaN緩沖層的生長溫度和氨氣流量的方法做了兩組對比實驗，顯著改善了GaN薄膜中的應(yīng)力狀態(tài)，獲得了高質(zhì)量的GaN外延層。實驗中對GaN外延層的晶體質(zhì)量、表面形貌以及光學(xué)性質(zhì)進行了相關(guān)表征。結(jié)果表明，隨著外延層中張應(yīng)力的降低，GaN外延層的晶體質(zhì)量、表面形貌以及光學(xué)性質(zhì)都有了顯著提高。

2 實 驗

本文采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD，Aixtron)在6H-SiC襯底上制備GaN外延層。三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)作為鎵源、鋁源和氮源，氫氣(H2)作為載氣。樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。外延生長之前，首先在1 150 ℃下用H2對樣品進行熱處理300 s，隨后在1 080 ℃和10 kPa壓力條件下生長100 nm的AlN緩沖層，在AlN緩沖層上制備3層梯度AlxGa1-xN緩沖層(Al0.8Ga0.2N、Al0.5Ga0.5N和Al0.2Ga0.8N厚度均為50 nm)，最后在AlGaN緩沖層上生長1.5 μm厚的GaN外延層。為了驗證梯度AlGaN緩沖層對GaN薄膜結(jié)晶質(zhì)量和膜內(nèi)應(yīng)力的影響，在保證AlN緩沖層和GaN外延層生長條件一致的前提下，我們通過改變AlGaN緩沖層的生長溫度和氨氣流量做了兩組對比實驗(實驗系列Ⅰ和Ⅱ)。在實驗Ⅰ中，在氨氣流量為133.8 mmol/min的條件下，S1、S2和S3三個樣品的AlGaN緩沖層生長溫度從1 090 ℃升高到1 110 ℃。

圖1 樣品結(jié)構(gòu)示意圖

組樣品生長溫度/℃氨氣流量/(mmol·min-1)ⅠS1S2S3109011001110133.8ⅡS4S2S5110044.6133.8223.1

生長結(jié)束后，我們采用X射線衍射(HRXRD， Rigaku Ultima Ⅳ)表征樣品的晶體質(zhì)量，原子力顯微鏡(AFM，Veeco Dimension Icon)表征樣品的表面形貌，光致發(fā)光譜(PL，300 K)表征樣品的光學(xué)性質(zhì)，拉曼光譜(Raman，Renishaw inVia)表征樣品的應(yīng)力狀態(tài)。所有測試均在室溫下進行。

3 結(jié)果與討論

(1)

(2)

表2 樣品的搖擺曲線半峰寬和位錯密度

Tab.2 The data of X-rayω-scan FWHM values and dislocation densities

組樣品搖擺曲線半峰寬/arcsec位錯密度/108cm-2(0002)(1012)螺位錯刃位錯ⅠS12703441.56.3S21912430.73.1S33714602.811.2ⅡS43153652.07.0S21912430.73.1S53804752.912.0

圖2為原子力顯微鏡下樣品的表面形貌，所有樣品均呈現(xiàn)臺階流狀生長模式。在實驗Ⅰ中，增加AlGaN緩沖層的生長溫度，樣品表面粗糙度先是從0.465 nm下降到0.381 nm，繼續(xù)升溫后粗糙度增大到0.584 nm。在實驗Ⅱ中，增加氨氣流量，樣品表面粗糙度先是從0.493 nm下降到0.381 nm，然后增加到0.592 nm。對比兩組實驗可以得到AlGaN緩沖層的最優(yōu)生長條件：生長溫度為1 100 ℃，氨氣流量為133.8 mmol/min。

圖3為樣品的光致發(fā)光譜。從圖中可以看到，每個樣品都存在一個365 nm附近的近帶邊發(fā)光峰和一個550 nm附近的黃帶發(fā)光峰。近帶邊發(fā)光峰和黃帶發(fā)光峰的強度比值(INBE/IYL)反映樣品的光學(xué)性質(zhì)[22]。通過對比發(fā)現(xiàn)，樣品的光致發(fā)光譜的變化趨勢(圖3)與樣品結(jié)晶質(zhì)量的變化趨勢相同(表2)。當(dāng)AlGaN緩沖層生長溫度為1 100 ℃、氨氣流量為133.8 mmol/min時，樣品的光學(xué)性質(zhì)最好(INBE/IYL比值最大)。目前對于GaN薄膜的黃帶發(fā)光峰的來源存在不小的爭議，很多研究組都認(rèn)為碳雜質(zhì)、碳雜質(zhì)相關(guān)的復(fù)合以及薄膜中的刃位錯密度都與GaN薄膜內(nèi)黃帶的來源有關(guān)[23-25]。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜中刃位錯密度降低時，INBE/IYL比值增大，樣品的光學(xué)特性變好，這個結(jié)論也恰好印證了前文提到的GaN薄膜中的黃帶發(fā)光峰與膜內(nèi)刃位錯密度的相關(guān)這個理論。

圖3 不同AlGaN生長條件下GaN薄膜的PL譜

Fig.3 PL spectra of GaN films with different AlGaN growth conditions

由于GaN薄膜和SiC襯底間存在一定的晶格失配和較大的熱失配，所以在降溫過程中，會引入較大的張應(yīng)力，進而對材料性能、器件性能以及可靠性等造成顯著影響。如何降低GaN薄膜中的應(yīng)力是GaN材料研究的重要課題。為了表征不同AlGaN緩沖層生長條件對GaN薄膜應(yīng)力的影響，我們對樣品進行了常溫拉曼光譜測試。

在拉曼光譜中，GaN E2(high)模的振動頻率對膜內(nèi)的雙軸應(yīng)變十分敏感[26]。如圖4(a)所示，若E2(high)模的振動頻率發(fā)生紅移則表明薄膜內(nèi)部受到張應(yīng)力，若E2(high)模的頻率發(fā)生藍(lán)移則表明薄膜受到壓應(yīng)力[27]。當(dāng)GaN薄膜內(nèi)部應(yīng)力完全弛豫時，對應(yīng)的E2(high)模的頻率為568.0 cm-1[26]。如圖4(b)所示，各個樣品的E2(high)模的頻率分別為566.561，566.961，565.384，565.534，565.332 cm-1。通過公式(3)[28]可以計算出薄膜中的應(yīng)力值：

(3)

其中，Δω為GaN E2(high)振動頻率的變化值，k為線性系數(shù)(-3.4 cm-1/GPa)[29]，σ為應(yīng)力。根據(jù)公式計算出各個樣品的應(yīng)力，分別為0.42，0.31，0.77，0.73，0.78 GPa，如圖4(c)所示。從以上數(shù)據(jù)可以得出，所有樣品均處于張應(yīng)力狀態(tài)。Taniyasu等人曾指出薄膜內(nèi)的刃位錯密度是導(dǎo)致張應(yīng)力產(chǎn)生的因素之一[30]，這跟我們的研究結(jié)果是相同的，即薄膜內(nèi)刃位錯密度越低 (表2)，薄膜中的張應(yīng)力越小 (圖4)。

圖4 不同AlGaN生長條件下的GaN薄膜的拉曼位移(a)、峰位移動(b)和應(yīng)力值(c)。

Fig.4 Raman spectra(a), Raman shift(b)and stress value(c) of GaN films with different AlGaN growth conditions.

4 結(jié) 論

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李寶珠(1990-)，男，吉林長春人，碩士研究生，2014年于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事GaN基綠光LED的研究。

E-mail: yyzyyz612@outlook.com董鑫 (1980-)，男，吉林長春人，副教授，2008年于大連理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO、GaN及相關(guān)材料的MOCVD生長、表征及相關(guān)器件的制備與研究工作。

E-mail: dongx@jlu.edu.cn張源濤 (1976-)，男，吉林長春人，教授，博士生導(dǎo)師，2005年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的研究。

E-mail： zhangyt@jlu.edu.cn

Effects of Step-graded AlxGa1-xN Buffer on Properties of GaN Films

LI Bao-zhu, HUANG Zhen, DENG Gao-qiang, DONG Xin*, ZHANG Yuan-tao*, ZHANG Bao-lin, DU Guo-tong

(StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,CollegeofElectronicScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)

GaN; step-graded AlGaN buffer; crystallinity; stress

1000-7032(2017)06-0780-06

2016-12-30；

2017-02-22

國家自然科學(xué)基金(61274023，61106003，61376046，61674068)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0400103)；吉林省科技發(fā)展計劃(20130204032GX,20150519004JH，20160101309JC)；教育部新世紀(jì)人才計劃(NCET13-0254)資助項目 Supporter by National Natural Science Foundation of China (61274023，61106003，61376046，61674068);National Key R&D Projects(2016YFB0400103); Science and Technology Development Plan of Jilin Province (20130204032GX,20150519004JH,20160101309JC); New Century Talent Program of Education Ministry(NCET13-0254)

TP394.1； TN484.4

A

10.3788/fgxb20173806.0780

*CorrespondingAuthors,E-mail:dongx@jlu.edu.cn;zhangyt@jlu.edu.cn