GaN材料位错按深度分布的表征及其位错和点缺陷关系研析.pdf

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摘要 摘要 其材料制备的主流工艺为异质外延技术。与衬底之间的晶格失配和热失配使得异 器件的性能和可靠性。常用的位错表征方法如蚀坑法、缀饰法、电镜法等对被测 材料具有破坏性。X射线衍射(XRD)法能够对GaN材料作无损检测,但常规测试不 能获得位错类型及其密度在薄膜深度上的分布,而该分布信息对GaN材料的生长动 力学、缺陷形成机理和抑制方法以及GaN器件的性能和可靠性分析等研究具有重要 意义。在XRD研究位错沿GaN单晶材料深度方向的分布方面,目前的研究只能得 这几种效应区分开。在此背景下,本文对GaN材料中的位错密度按深度分布的表征 测量方法展开研究,并以GaN光致发光谱中的黄带现象为纽带对刃位错与点缺陷之 间的关系进行研究,主要的研究工作及成果如下: 顶向下逐个薄层测量GaN材料位错按深度分布的完整原理模型,以及实验测试的 具体实施方案和数据处理方法。 系,提出了实现不同类型位错按深度分布的测量对晶面的选择原则,实现了螺位 错和刃位错各自在深度分布上的测量,突破了常规按深度分布测量不能很好的区 分出Tilt和Twist的局限,得到按深度分布表征螺位错和刃位错效果最好的原子面 分别为(103)面和(101)面,并将该测量方法在其他材料结构中进行了一般化推广。 根据测得XRC的FWHM值同测量原子面倾角的相关性,通过拟合方法得到GaN 材料(101)面的刃位错系数为1.0961。 3.基于上述方法研究了具有AlN体插入层的蓝宝石衬底GaN外延材料中的 位错运动特性,发现不管是螺位错还是刃位错,其在成核层附近具有最高的密度, 并且在成核层上方约150nm(该厚度与衬底和成核条件等有关)范围内出现一次集 中的湮灭导致位错密度剧烈的下降。AIN体插入层虽然在短程范围内会引入更多 的刃型位错,但整体上讲其能有效促进刃位错的湮灭,并在一定程度上也能促使 螺位错的湮灭。 4.提出了以XRD28一缈扫描研究GaN薄膜材料的应变按深度分布的原理模 型和数据处理方法。对具有AIN体插入层的蓝宝石衬底GaN外延材料的应变按深 GaN材料位错按深度分布的表征及位错与点缺陷关系的研究 度分布的研究发现GaN材料所受应力类型为压应力,应变随深度的变化趋势同位 错变化趋势有较强的相关性,提出了位错的产生或湮灭在一定程度上会导致晶格 常数变化的观点。最后通过Raman散射实验证实了我们的分析。 5.通过第一性原理计算分析MOCVD生长环境下生长的GaN材料中本征点 缺陷的存在情况,表明不论是富N或准富N生长条件下生长的GaN薄膜体材料, 只要其为n型电导,则与本征点缺陷相关的缺陷中Ga空位或与Ga空位相关的复 合体最容易形成,在有黄带发光的材料中有其可能是产生黄带的主要原因之一。 6.通过多样片光致发光(PL)谱测量和位错按深度分布的XRD测量发现样片 材料的黄带强度与带边峰强度之比(厶/,。F)同材料表层150nm范围内的刃位错密 度具有强烈的相关性。分析认为刃位错周围局部的弹性应力场和库伦势场对点缺 陷有聚集作用,因而表层刃位错密度越高的样片吸附的点缺陷越多,表现为引起 的黄带越强。 关键词:X射线衍射位错应变黄带点缺陷 Abstract Abstract semiconductors andInNmaterialsanddeviceshave III-nitride GaN,AIN including for ofthe been attentiontheir recentlyattractinggreat prominent andlow main to high decompositiontemperature,thetechnique meltingtemperature III—n

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