稀有金属 2004,(03),499-501 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.013

衬底氮化对HVPE法生长GaN的影响

于广辉 雷本亮 齐鸣 李爱珍

中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室 上海200050 ,上海200050 ,上海200050 ,上海200050 ,上海200050

摘 要：

研究了衬底氮化过程对于氢化物气相外延 (HVPE) 方法生长的GaN膜性质的影响。X射线衍射和原子力显微镜以及光荧光测量的结果表明 , 不同的氮化时间导致Al2 O3表面的成核层发生变化 , 进一步影响了外延层中的位错密度和应力分布。

关键词：

GaN;衬底氮化;氢化物气相外延;

中图分类号： O472

收稿日期：2003-09-15

基金：国家“8 63” ( 2 0 0 1AA3 1110 0 ) 资助项目;

Impact of Substrate Nitridation on HVPE-Grown GaN Films

Abstract：

Effect of nitridation on the properties of hydride vapor phase epitaxy (HVPE) grown GaN films was studied. X-ray diffraction, atomic force microscope and photoluminescence were used to characterize the films. Results indicates that different nitridation duration affect the quality of nucleation layer, which further influences the distribution of strain and dislocation density in the films.

Keyword：

GaN; substrate nitridation; hydride vapour phase epitaxy;

Received： 2003-09-15

GaN材料由于合适衬底的缺乏, 难以实现低的缺陷密度, 限制了其在光电子器件和电子器件中的进一步应用。 因此GaN衬底的研制是目前氮化物研究中的一大热点, 其中一条技术路径是厚膜GaN外延及剥离。 氢化物气相外延法由于具有生长速度快的特点而用于外延厚膜GaN, 也倍受关注 ^[1] 。

在外延GaN的过程中, 初期的成核状况对GaN外延层的结晶性质有强烈的影响。 据文献报道, 在GaN生长之前对蓝宝石表面进行氮化能改善GaN外延层的晶体质量、 光学性质及表面形貌等 ^[2,3,4] 。 衬底氮化过程对采用分子束外延 (MBE) ^[2,3] 和金属有机化合物化学气相沉积 (MOCVD) ^[4] 来生长GaN外延层都是重要的一步。 可以预测在氢化物气相外延法生长GaN厚膜过程中衬底氮化会起到同样重要的作用。 本文讨论了在HVPE法生长GaN 外延层的过程中, 不同的氮化时间如何影响GaN的生长以及GaN外延层的晶体质量和其它性质。

1 实 验

所有的GaN薄膜都在水平式双温区HVPE系统中生长, (0001) 面蓝宝石衬底采用有机溶剂 (异丙醇、 丙酮和乙醇) 进行超声清洗, 后用去离子水清洗干净并吹干。 在GaN生长前, 先将衬底置于高温NH₃气流中, 进行衬底氮化。 制备了5个样品A, B, C, D和E, 对应的氮化时间分别为1, 3, 5, 7和10 min, 温度均为1050 ℃, NH₃流量均为500 sccm, 氮化后GaN外延层的生长也采用相同的条件。 GaN外延层的晶体质量通过高分辨X射线衍射来表征, 包括 (002) 对称衍射和 (102) 非对称衍射。 GaN层的光学性质则是通过室温光荧光谱 (PL谱) 来表征, 采用的光源是氦镉激光。 为了更清晰地认识氮化时间的影响, 我们采用相应的氮化时间处理5个衬底, 并观察了氮化后衬底的表面形貌。

2 结果与讨论

图1给出的是蓝宝石表面形貌的AFM照片, 扫描的区域为5×5 μm, 这一组图反映了随氮化时间的延长蓝宝石衬底表面形貌的变化情况。 在氮化初期, 首先是AlN晶核在衬底表面形成, 接着岛状AlN在晶核附近长大。 从图1 (a) 中, 可看出氮化1 min时衬底表面只有少量的分布稀疏的岛状AlN晶粒。 由图1 (b) , 随着氮化的进一步进行, 岛状AlN晶粒的密度和尺寸均增大。 然后相邻AlN岛合并, 岛的尺寸变大, 密度减小, 慢慢形成一层AlN薄膜, 并随氮化的继续, AlN膜表面越来越平整, 如图1 (c) 和 (d) 。

图2总结了采用高分辨X射线衍射 (HRXRD) 对GaN外延层的晶体质量表征的结果。 不论是 (002) 对称衍射还是 (102) 非对称衍射的摇摆曲线, 当氮化时间从1 min增大到5 min或7 min时, 半高宽均逐渐减小, 但当氮化时间进一步延长时 (如10 min) , 半高宽反而又增大了。 衍射强度的变化情况与半高宽的变化相反。 由X射线衍射理论可知, 对称衍射对于螺位错比较敏感, 所以 (002) 衍射的半高宽能反映出GaN外延层中螺位错密度的变化情况;而非对称衍射则对刃位错较敏感, (102) 衍射的半高宽反映的是GaN外延层中刃位错密度的变化情况。 两种位错密度的变化与氮化后衬底的表面形貌有关。 随氮化时间的延长 (从1～7 min) , 形成AlN膜, 且表面越来越平整, 提供给GaN成核的位置越来越多, 使得形成GaN薄膜所必须经历的初级阶段——GaN岛密度和尺寸不断增大而后岛与岛合并慢慢形成膜, 困难程度越来越小; 相应地, GaN外延层中两种位错的密度就会越低。 然而, 由于AlN与蓝宝石衬底之间较大的晶格失配 (13.29%) 产生应力, 当过分氮化 (如氮化10 min) 时, 应力增加到一定程度, 就会在AlN薄膜中产生晶格缺陷来释放部分应力, AlN薄膜中的这些缺陷会延伸至GaN外延层中, 影响GaN外延层的晶体质量, 使得两种缺陷密度又有所增大。 从以上可知, 对于本文中采用的HVPE系统, 优化的氮化工艺是氮化7 min。

图1 不同氮化时间的衬底表面形貌

Fig.1 AFM results of nitridated sapphire substrates morphology with different nitridation duration (5 μm×5 μm)

(a) 1 min; (b) 3 min; (c) 5 min; (d) 7 min

图2 GaN层XRD半高宽与衬底氮化时间的关系图

Fig.2 FWHM of rocking curve of the GaN layer as a function of substrate nitridation duration

—□—对称 (002) 反射; —■—非对称 (102) 反射

采用不同氮化时间生长的GaN外延层的室温光荧光谱如图3所示, 图中P1和P2分别是氮化3和5 min的样品 (B和C) 的谱线。 谱线P1和P2都基本上只有因束缚于中性施主的激子复合而产生一个发光峰 (D⁰X) , 且谱线P2相对于P1有蓝移现象。 样品A, D和E也做了室温光荧光谱测试。 样品A, B, C, D和E的谱线峰位分别是3.328, 3.337, 3.405, 3.405和3.405 eV。 氮化时间从1～5 min变化时, GaN层的PL谱线蓝移;但氮化时间继续延长时, 峰位则不变。 认为这个现象的原因是因GaN层聚合程度的不同导致的残余热应力的差异引起的。 膜的连续性越高, 残余的热应力越大, 相应的GaN带隙越宽, 峰位的能量越高。

图3 不同氮化时间的GaN层的室温光荧光谱 P1: 氮化3 min; P2: 氮化5 min

Fig.3 Photoluminescence spectra taken at room temperature of GaN layers with different nitridation duration

3 结 论

采用HVPE方法在氮化不同时间的蓝宝石衬底上外延GaN, 考察了氮化对GaN外延层的晶体质量和光学性质的影响。 由AFM观察到, 氮化不同时间的衬底表面有很大差异, 先是AlN岛尺寸和密度不断增大, 接着AlN岛慢慢合并, 最后在衬底上形成AlN薄膜。 AlN薄膜表面形貌和晶体质量的差异是GaN层性质随氮化时间变化的主要原因。 采用的HVPE系统中最优化的氮化条件是1050 ℃下氮化7 min。

参考文献

[1] 　MorkocH .　ComprehensivecharacterizationofhydrideVPEgrownGaNlayersandtemplates[J].J.MaterialsScienceandEngineeringR , 2001, 33:135.

[2] 　NamkoongG , DoolittleWA , BrownAS , etal.　RoleofsapphiretemperatureonGaNgrowthbyplasmaassistedmolecularbeamepitaxy[J].JournalofAppliedPhysics, 2002, 99 (4) :2499.

[3] 　GrandjeanN , MassiesJ, LerouxM .　NitridationofsapphireeffectontheopticalpropertiesofGaNepitaxialoverlayers[J].Appl.Phys.Lett., 1996, 69 (14) :2071.

[4] 　KellerS , KellerBP , WuYF , etal.　Influenceofsapphirenitrida tiononpropertiesofgalliumnitridegrownbymetalorganicchemicalva pordeposition[J].Appl.Phys.Lett., 1996, 68 (11) :1525.