斜切藍(lán)寶石襯底上GaN薄膜的位錯(cuò)降低機(jī)制*

徐爽 許晟瑞 王心顥 盧灝 劉旭 贠博祥 張雅超 張濤 張進(jìn)成 郝躍

(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,寬禁帶半導(dǎo)體國(guó)家工程研究中心,寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

1 引言

GaN 材料作為第三代半導(dǎo)體的代表性材料,具有寬的直接帶隙、高擊穿電場(chǎng)、高電子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、強(qiáng)抗輻照能力等許多優(yōu)良特性,在光電子器件和高頻微波器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4].高性能器件的基礎(chǔ)是高質(zhì)量的GaN材料制備,但是由于GaN 體單晶襯底的尺寸以及成本限制,目前絕大多數(shù)GaN 材料是在藍(lán)寶石、碳化硅、硅等襯底上異質(zhì)外延得到的.異質(zhì)襯底和GaN 材料之間的大晶格失配和熱失配使得GaN外延材料中的位錯(cuò)密度非常高,一般在108cm-2以上[5].高位錯(cuò)密度會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生不利影響,在電子器件中,位錯(cuò)加劇二維電子氣的散射,降低載流子遷移率,并且位錯(cuò)充當(dāng)漏電通道,會(huì)增加器件的漏電流;在光電器件中,位錯(cuò)充當(dāng)非輻射復(fù)合中心,會(huì)降低器件的發(fā)光效率[6-8].因此,目前有很多研究是針對(duì)如何降低GaN 材料的位錯(cuò)密度,提高GaN 材料的晶體質(zhì)量.

經(jīng)過(guò)幾十年的不斷研究,研究人員提出了多種方法來(lái)降低GaN 薄膜的位錯(cuò)密度,比如橫向外延過(guò)生長(zhǎng)(epitaxial lateral overgrowth,ELOG)[9]、圖形化襯底(patterned sapphire substrate,PSS)[10]、超晶格位錯(cuò)阻擋層[11]、斜切襯底[12]等.其中,ELOG技術(shù)需要光刻掩膜,PSS 技術(shù)需要進(jìn)行襯底刻蝕,超晶格位錯(cuò)阻擋層需要生長(zhǎng)額外結(jié)構(gòu),這些技術(shù)都或多或少會(huì)引入新的外延結(jié)構(gòu)或工藝步驟,成本較高,特別是ELOG 技術(shù)還會(huì)引入非故意摻入的Si雜質(zhì),導(dǎo)致GaN 層漏電.而斜切襯底制備簡(jiǎn)單,與現(xiàn)有生長(zhǎng)工藝完全兼容,可以在不增加額外工序的前提下提高GaN 外延層的晶體質(zhì)量,大幅降低了生產(chǎn)成本,因此斜切襯底受到了研究人員的密切關(guān)注,在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用.Shen 等[13]報(bào)道了在斜切藍(lán)寶石襯底上使用等離子體輔助分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)生長(zhǎng)的AlN薄膜,在0.5°斜切襯底上得到了質(zhì)量最好的AlN薄膜,(002)面半峰全寬低至70″.Chang 等[14]使用斜切角度為1°的藍(lán)寶石襯底有效提高了AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量,位錯(cuò)密度可降低約1 個(gè)數(shù)量級(jí).Zhang 等[15]研究了襯底斜切角度對(duì)GaN基高電子遷移率晶體管器件性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)二維電子氣遷移率、器件最大輸出電流等性能隨襯底斜切角度的增加而提升,器件性能的改善歸因于材料晶體質(zhì)量的提高以及襯底臺(tái)階對(duì)載流子傳輸?shù)挠绊?Fan 等[16]在斜切2°的藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu),研究發(fā)現(xiàn)斜切襯底可以顯著降低外延層的位錯(cuò)密度以及應(yīng)力,進(jìn)而大幅提高了多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率.

關(guān)于斜切襯底降低位錯(cuò)密度的機(jī)制,研究人員也開展了大量的工作.Shen 等[17]利用截面透射電子顯微鏡觀察了斜切襯底上GaN 外延層中的位錯(cuò)傳播情況,發(fā)現(xiàn)斜切襯底上的臺(tái)階可以顯著改善GaN 外延層的晶粒傾斜和扭轉(zhuǎn)情況,從而提高GaN 外延層的晶體質(zhì)量.Lin 等[18]研究認(rèn)為斜切襯底誘導(dǎo)外延層中產(chǎn)生了傾斜位錯(cuò),傾斜位錯(cuò)和垂直位錯(cuò)之間相互作用形成位錯(cuò)環(huán),進(jìn)而降低了外延層的位錯(cuò)密度.Chuang 等[19]研究認(rèn)為由于GaN外延層和斜切襯底之間微小的取向誤差,從而降低了二者間的晶格失配,提高了外延層的晶體質(zhì)量.Xu 等[20]提出斜切襯底促進(jìn)了晶體生長(zhǎng)的階梯流模式,這種模式導(dǎo)致了宏觀臺(tái)階的形成,并且減少了三維島嶼相互合并時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò).目前研究人員對(duì)斜切襯底上的GaN 生長(zhǎng)過(guò)程、位錯(cuò)湮滅機(jī)制等研究還不充分.因此,本文系統(tǒng)地研究了在斜切藍(lán)寶石襯底上金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)生長(zhǎng)的GaN 薄膜的材料特性,結(jié)合透射電子顯微鏡詳細(xì)分析了斜切襯底上GaN 的外延生長(zhǎng)過(guò)程及位錯(cuò)傳播過(guò)程,發(fā)現(xiàn)斜切襯底上特殊的位錯(cuò)終止現(xiàn)象,提出了斜切襯底降低外延層位錯(cuò)密度的合理解釋.

2 材料生長(zhǎng)及表征

研究的GaN 薄膜樣品是使用Veeco Turbo-Disc K465i 型MOCVD 設(shè)備外延生長(zhǎng)而成.襯底使用斜切角度為0°(即平面襯底),1°,3°,5°的斜切藍(lán)寶石襯底,其中襯底的斜切方向?yàn)?0001)面偏向于面,所有襯底上均有一層25 nm 的磁控濺射AlN 成核層.在斜切0°,1°,3°,5°的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的樣品分別命名為樣品A,B,C,D.在MOCVD 生長(zhǎng)過(guò)程中,使用三甲基鎵(trimethyl gallium,TMGa)和NH3作為Ga 源和N 源,N2和H2的混合氣體作為載氣,反應(yīng)室壓力設(shè)為150 Torr (1 Torr=133.02 Pa)保持不變.四個(gè)樣品采用相同工藝方法生長(zhǎng),具體生長(zhǎng)方法如下: 首先對(duì)襯底進(jìn)行預(yù)處理,將溫度升至1100 ℃,通入190 L/min 的H2對(duì)襯底處理10 min 以去除襯底表面殘留的水汽、有機(jī)物等污染物.然后將反應(yīng)室溫度調(diào)節(jié)至1080 ℃,通入600 mL/min (標(biāo)準(zhǔn)狀況下)的TMGa 和4.5×104mL/min (標(biāo)準(zhǔn)狀況下)的NH3,外延生長(zhǎng)一層5 μm 厚的GaN 薄膜.

樣品生長(zhǎng)完成之后,使用Bruker ICON 型原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行表征,使用Horiba Jobin Yvon LavRam HR800 型光致發(fā)光圖譜測(cè)試儀(photoluminescence spectroscopy,PL)對(duì)樣品的光學(xué)特性進(jìn)行了分析,采用Bruke D8Discover 型高分辨率X 射線衍射儀(high resolution X-ray diffraction,HRXRD)研究了GaN 薄膜的晶體質(zhì)量,通過(guò)Tecnai G2 F20 S-Twin 型透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)對(duì)樣品的位錯(cuò)傳播過(guò)程及降低機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析,其中TEM樣品采用常規(guī)機(jī)械減薄和氬(Ar)離子銑削工藝制備.

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品測(cè)試結(jié)果分析

為了觀察樣品表面的形貌,使用AFM 在輕敲模式下對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試,其中,樣品A 進(jìn)行了面積為5 μm × 5 μm 的測(cè)試,樣品B,C,D 由于表面起伏較大,進(jìn)行了面積為50 μm × 50 μm 的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖1 所示.可以看出,樣品A 的表面平整且整齊排布著一系列的臺(tái)階,呈現(xiàn)出典型的臺(tái)階流生長(zhǎng)模式,并且樣品A 表面并未出現(xiàn)孔洞、位錯(cuò)坑、裂紋等其他缺陷,而樣品B,C,D 的表面和樣品A 相比較粗糙,表面呈現(xiàn)出宏觀臺(tái)階狀的起伏.隨著襯底斜切角度的增加,樣品表面起伏變大,臺(tái)階高度明顯增加.并且在樣品C,D 表面觀察到了類似鋸齒狀的臺(tái)階邊緣.通過(guò)AFM 測(cè)試可以計(jì)算樣品測(cè)試區(qū)域的均方根粗糙度(root mean square roughness,RMS),RMS 可反映樣品表面的起伏程度,是評(píng)估樣品表面形貌的重要指標(biāo).樣品A的RMS 為0.371 nm,表面非常光滑.而樣品B,C,D 的RMS 分別為18.3,54.1 以及56.9 nm,隨著襯底斜切角度變大,樣品表面變得越來(lái)越粗糙.AFM 測(cè)試結(jié)果說(shuō)明斜切襯底會(huì)使樣品的表面形貌產(chǎn)生退化,襯底斜切角度越大,樣品表面越粗糙,這也是斜切襯底上外延GaN 的普遍現(xiàn)象[21-22].樣品表面形貌退化與斜切襯底表面的原子臺(tái)階和GaN 生長(zhǎng)過(guò)程中的臺(tái)階合并有關(guān).如圖1(c)中C1,C2 和圖1(d)中D1,D2 處所示,這些地方的臺(tái)階高度明顯低于樣品表面的最大臺(tái)階高度,約為最大臺(tái)階高度的一半,說(shuō)明在GaN 生長(zhǎng)過(guò)程中存在臺(tái)階合并現(xiàn)象,斜切襯底表面的原子臺(tái)階會(huì)發(fā)生臺(tái)階合并,使得樣品表面出現(xiàn)更大的宏觀臺(tái)階.關(guān)于樣品表面鋸齒狀的臺(tái)階邊緣,這是由于外延層表面的Ga 原子臺(tái)階邊緣與N 原子臺(tái)階邊緣均具有可供淀積原子結(jié)合的懸掛鍵,且兩種臺(tái)階邊緣之間存在一定的夾角,從而導(dǎo)致這種鋸齒狀臺(tái)階的出現(xiàn),這種現(xiàn)象在大角度斜切襯底上尤為明顯[23].

為了研究斜切襯底對(duì)GaN 晶體質(zhì)量的影響,利用HRXRD 對(duì)樣品的晶體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估.研究表明,X 射線搖擺曲線(rocking curve,RC)的半峰全寬(full width at half maxima,FWHM)可用來(lái)反映樣品的位錯(cuò)密度,FWHM 越大,樣品位錯(cuò)密度越高.其中,(002)面的搖擺曲線可以反映樣品中螺位錯(cuò)的密度,(102)面的搖擺曲線可以反映樣品中刃位錯(cuò)的密度,總位錯(cuò)密度是螺位錯(cuò)密度和刃位錯(cuò)密度之和[24].位錯(cuò)密度ρ表示為

其中,β是搖擺曲線的半峰全寬;b是相應(yīng)位錯(cuò)的伯格斯矢量,螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)的伯格斯矢量分別為0.519 nm 和0.319 nm[25].圖2 分別是4 個(gè)樣品的(002)面搖擺曲線和(102)面搖擺曲線圖.表1 總結(jié)了圖2 中曲線的FWHM 值以及利用(1)式計(jì)算出的位錯(cuò)密度.從表1 得到,斜切襯底可以顯著降低樣品的位錯(cuò)密度,襯底斜切角度越大,樣品的位錯(cuò)密度越低.位錯(cuò)密度最低的樣品D 和樣品A 相比,螺位錯(cuò)密度降低了50.27%,刃位錯(cuò)密度降低了26.91%,總位錯(cuò)密度降低了31.70%,可見(jiàn)斜切襯底對(duì)于GaN 晶體質(zhì)量的提升效果非常顯著.

表1 樣品A,B,C,D 的RC 曲線FWHM 值和位錯(cuò)密度Table 1.FWHM values and dislocation density of RC curves of samples A,B,C and D.

圖2 樣品A,B,C,D 的(002)面(a)和(102)面(b)的XRD 搖擺曲線圖Fig.2.XRD rocking curves of (002) (a) and (102) (b) of samples A,B,C and D.

為了研究樣品的光學(xué)特性,在室溫下(300 K)對(duì)樣品進(jìn)行了PL 測(cè)試,PL 測(cè)試中使用的激發(fā)激光的波長(zhǎng)為325 nm,測(cè)試結(jié)果如圖3(a)所示,圖3(b)為波長(zhǎng)范圍325—425 nm 的局部放大圖.測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),4 個(gè)樣品都具有明顯的帶邊發(fā)射峰(NBL),均位于363 nm 附近,這是GaN 的發(fā)射峰.此外,沒(méi)有出現(xiàn)黃光帶或其他明顯的雜質(zhì)發(fā)光峰,表明樣品中雜質(zhì)含量較少[26].4 個(gè)樣品的NBL 峰值有明顯的不同,平面襯底樣品即樣品A 的帶邊峰強(qiáng)度明顯小于斜切襯底樣品即樣品B,C,D,并且襯底斜切角度越大,帶邊峰強(qiáng)度越高,樣品D 的帶邊峰強(qiáng)度接近樣品A 的兩倍.研究表明,PL 圖譜中發(fā)光峰的強(qiáng)度與樣品的位錯(cuò)密度有直接關(guān)系,位錯(cuò)會(huì)充當(dāng)非輻射復(fù)合中心,降低載流子輻射復(fù)合效率,從而降低發(fā)光峰的強(qiáng)度[27].同時(shí),樣品表面粗糙的形貌可以降低光子在晶體內(nèi)部的全反射,提高光提取效率[28].由圖1 中AFM 和圖2 中HRXRD 測(cè)試結(jié)果可知,隨著襯底斜切角度的增大,樣品的位錯(cuò)密度降低,表面RMS 增加,因此樣品的NBL 峰值呈上升趨勢(shì).

圖3 四個(gè)樣品的室溫下PL 圖(a)和局部放大圖(b)Fig.3.PL images (a) and local enlarged images (b) of four samples at room temperature.

3.2 斜切襯底上GaN 生長(zhǎng)模型及位錯(cuò)降低機(jī)制

為了研究斜切襯底對(duì)位錯(cuò)密度降低的機(jī)制,對(duì)位錯(cuò)密度最低的樣品即樣品D 進(jìn)行了截面TEM測(cè)試,結(jié)果如圖4 所示.根據(jù)TEM 測(cè)試原理中位錯(cuò)的消像準(zhǔn)則,在g=[0002]的條件下僅顯示具有螺位錯(cuò)分量的位錯(cuò),在的條件下僅顯示具有刃位錯(cuò)分量的位錯(cuò),混合位錯(cuò)在兩種矢量方向上都會(huì)出現(xiàn)[29].從TEM 測(cè)試結(jié)果可知,大部分位錯(cuò)并沒(méi)有向上延伸到樣品表面,在樣品內(nèi)部就已經(jīng)終止.位錯(cuò)密度降低主要包括兩種方式: 一個(gè)是在GaN 層和襯底的界面處,位錯(cuò)彎曲相互形成位錯(cuò)環(huán)湮滅,沒(méi)有繼續(xù)向上延伸,這個(gè)是GaN 生長(zhǎng)過(guò)程中的普遍現(xiàn)象,和成核島的生長(zhǎng)合并相關(guān)[30];另一個(gè)是在GaN 外延層的內(nèi)部,有部分位錯(cuò)在向上延伸的過(guò)程中突然終止,進(jìn)而降低了樣品表面區(qū)域的位錯(cuò)密度,并且位錯(cuò)終止的高度并不一致,如圖4 中紅色圓圈區(qū)域所示.這種位錯(cuò)終止現(xiàn)象是斜切襯底上特有的現(xiàn)象,是斜切襯底降低位錯(cuò)密度的主要原因之一.

圖4 樣品D的TEM 測(cè)試圖(a) g=[0002];(b)g=[110]Fig.4.TEM images of sample D: (a) g=[0002];(b)g=[110].

而關(guān)于斜切襯底上GaN 薄膜中的位錯(cuò)終止現(xiàn)象,目前缺乏相關(guān)的研究.在這里提出一個(gè)斜切襯底上GaN 的生長(zhǎng)模型來(lái)解釋這一現(xiàn)象,如圖5 所示.一般情況下,斜切襯底表面規(guī)則排列著原子高度的臺(tái)階.在GaN 生長(zhǎng)初期,相鄰的原子臺(tái)階之間會(huì)發(fā)生臺(tái)階合并成一個(gè)微臺(tái)階,并且在后續(xù)的生長(zhǎng)過(guò)程中臺(tái)階會(huì)繼續(xù)發(fā)生合并,最終在樣品表面形成宏觀臺(tái)階,導(dǎo)致樣品表面平整度下降,RMS 相應(yīng)變大,這與圖1 中AFM 測(cè)試結(jié)果一致.在之后的GaN 生長(zhǎng)過(guò)程中,由于襯底的臺(tái)階相較于之前的原子臺(tái)階高度有很大增加,所以在臺(tái)階表面會(huì)同時(shí)發(fā)生GaN 的縱向生長(zhǎng)和橫向生長(zhǎng),其中橫向生長(zhǎng)的區(qū)域位錯(cuò)密度很低.當(dāng)高臺(tái)階上的GaN 與低臺(tái)階上的GaN 發(fā)生合并時(shí),其中低臺(tái)階中部分位錯(cuò)由于受到高臺(tái)階橫向生長(zhǎng)GaN 的阻擋而終止,不能繼續(xù)向上延伸,從而降低了樣品的位錯(cuò)密度.從圖5 可以看出,位錯(cuò)會(huì)在不同的高度被阻擋,這與圖4 中TEM 測(cè)試結(jié)果相符.襯底斜切角度對(duì)樣品晶體質(zhì)量的影響也可以用這個(gè)模型進(jìn)行解釋.由于襯底微臺(tái)階高度的增加,在微臺(tái)階表面生長(zhǎng)的GaN 就有了更大的縱向和橫向生長(zhǎng)空間,從而GaN 橫向生長(zhǎng)長(zhǎng)度增加,相鄰臺(tái)階合并時(shí),高臺(tái)階橫向生長(zhǎng)的GaN 可以阻擋更多的位錯(cuò),因此大角度斜切襯底的樣品其位錯(cuò)密度更低,這與圖2 中HRXRD 測(cè)試結(jié)果一致.

圖5 斜切襯底上GaN 的生長(zhǎng)過(guò)程及位錯(cuò)傳播過(guò)程Fig.5.Growth process and dislocation spread of GaN on vicinal substrates.

而在平面襯底上生長(zhǎng)GaN 薄膜時(shí)(樣品A),藍(lán)寶石襯底上的GaN 成核層會(huì)先以3D 島模式生長(zhǎng),如圖6(a)所示.當(dāng)外延層繼續(xù)生長(zhǎng)時(shí),3D 島的橫向生長(zhǎng)速率提高,使得相鄰成核島開始合并,從而轉(zhuǎn)向2D 平面生長(zhǎng),在這個(gè)過(guò)程中一部分位錯(cuò)會(huì)形成位錯(cuò)環(huán)湮滅從而降低了位錯(cuò)密度,但是剩余位錯(cuò)在后續(xù)的生長(zhǎng)過(guò)程中很難終止,平面襯底上生長(zhǎng)的GaN 薄膜位錯(cuò)密度依然很高[30],如圖6(b)所示.所以,平面襯底只有通過(guò)預(yù)處理才可以顯著降低位錯(cuò)密度[31].

圖6 平面襯底上GaN 的生長(zhǎng)過(guò)程及位錯(cuò)傳播過(guò)程Fig.6.Growth process and dislocation spread of GaN on planar substrates.

4 結(jié)論

本文采用MOCVD 技術(shù)在不同角度的斜切藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了GaN 薄膜.AFM 測(cè)試結(jié)果表明: 斜切襯底使得GaN 薄膜的表面形貌發(fā)生退化,樣品表面出現(xiàn)了宏觀臺(tái)階,襯底斜切角度越大,樣品表面越粗糙.XRD 測(cè)試結(jié)果表明: 斜切襯底大幅降低了GaN 薄膜的位錯(cuò)密度,襯底斜切角度越大,位錯(cuò)密度越低,襯底斜切5°的樣品位錯(cuò)密度低至3.62×108cm-2.通過(guò)TEM 測(cè)試發(fā)現(xiàn)斜切襯底樣品中特殊的位錯(cuò)終止現(xiàn)象,這是位錯(cuò)密度降低的主要原因之一.為此,提出了一個(gè)斜切襯底上GaN的生長(zhǎng)模型來(lái)解釋這些現(xiàn)象.斜切襯底上GaN 生長(zhǎng)初期的臺(tái)階合并導(dǎo)致樣品表面粗糙度增加,臺(tái)階合并后的微臺(tái)階高度差誘導(dǎo)GaN 產(chǎn)生橫向生長(zhǎng),高臺(tái)階的GaN 層會(huì)對(duì)低臺(tái)階GaN 層中的位錯(cuò)有一個(gè)阻擋作用,導(dǎo)致位錯(cuò)傳播終止,位錯(cuò)密度降低.不同角度的斜切襯底的表面臺(tái)階不一致,從而對(duì)樣品的位錯(cuò)密度有不同的影響.總之,本文針對(duì)斜切襯底對(duì)GaN 外延層位錯(cuò)密度的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究,提出了斜切襯底降低位錯(cuò)密度的一種全新機(jī)制,對(duì)于高質(zhì)量GaN 材料制備提供了新的理論依據(jù).