《宽禁带半导体发光材料》3.2氮化物异质结构生长与掺杂技术.pdf

氮化物异质结构生长与掺杂技术 材料生长技术 薄膜外延生长原理 薄膜外延生长技术 薄膜应力 位错 氮化物多量子阱结构 半导体异质结构 极化效应 多量子阱结构设计 氮化物p型掺杂技术 薄膜生长  薄膜的生长过程：新相的成核与薄膜的生长两个阶段  成核阶段 在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底上， 从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用，原子到达衬底表面的最 初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且可以运动的原子团（岛或核）。当 这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长大；而当它大于临 界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐长大。  薄膜生长阶段 一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的原子而逐渐长大，而 岛的数目则很快达到饱和。小岛像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬 底表面上又形成了新的岛。形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛 之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐被后沉积的原子所填充，最后 形成薄膜。 薄膜生长模式  岛状生长(Volmer-Weber)模式 ： 被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底 原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬底上 生长大都采取这种模式。对很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足 够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模 式。 薄膜生长模式  层状生长（Frank-van der Merwe)模式： 当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时 ，被沉积物质的原子更倾向 于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式， 沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生长将一直保持这种层状生长模 式。 薄膜生长模式  层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式： 在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度的层状生长 之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复 杂，但根本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长 。 氮化物异质结构生长与掺杂技术 材料生长技术 薄膜外延生长原理 薄膜外延生长技术 薄膜应力 位错 氮化物多量子阱结构 半导体异质结构 极化效应 多量子阱结构设计 氮化物p型掺杂技术 两步法生长  由于GaN与蓝宝石晶格失配、热失配很大 ，直接在蓝宝石衬底上生长 高温GaN ，则呈现表面粗糙并晶体质量差。为了在蓝宝石衬底上生长 出表面平整的、高质量的GaN材料 ，就必须采用特殊的工艺过程 ，二 步生长法是目前GaN/蓝宝石MOCVD生长技术的一个典型工艺方法。  两步法生长：第一步生长低温缓冲层，具有高密度缺陷；第二步生长高 温外延层，缺陷被逐渐抑制，从而提高了外延膜的结晶质量。 两步法生长示意图 侧向外延生长  侧向外延技术是一种在部分加上掩模的衬底表面外延生长的方法 ，其 目的是减少晶体中的位错密度，提高晶体质量。在气相生长中 ，用 SiO 或SiN 制作掩膜，抑制反应物气流在掩膜上成核，只在窗口区内 2 x 生长。随后，外延层同时进行垂直生长和侧向外延。相邻窗口区内生 长的单晶材料相遇后，再经过一段时间的生长，可以得到连续平滑的 外延层。 侧向外延生长示意图 侧向外延生长  GaN 侧向外延生长过程中位错的减少主要通过两种机制，即位错的阻 断和位错的转向。  由于掩模层的存在，使得其下部GaN 衬底中的穿透位错终止于GaN 衬 底和介质膜间