AlN材料中缺陷调控及物性研究

doi:00686B5C7FFEB9A5E78647867E8CFC69

	AlN材料中缺陷调控及物性研究
	贲建伟
学位类型	博士
导师	黎大兵
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	AlN 表面/界面 MOCVD 高温热处理折射率
摘要	AlN是第三代半导体材料的典型代表,是直接宽带隙半导体,具有物理化学性质稳定、高击穿电场等特点,并且能够与GaN形成AlGaN三元合金材料,其禁带宽度在3.4 eV到6.2 eV之间连续可调,是制备紫外及深紫外光电子器件的理想材料。同时AlN基材料在高频、高功率电力电子器件方面也独具优势。但是目前大尺寸AlN单晶难以获得,如何在蓝宝石等异质衬底上实现高质量的AlN模板是研究学者的努力方向。由于AlN外延层与异质衬底之间的大晶格失配与热失配,使AlN外延层中存在高密度位错缺陷,降低在其上外延生长的AlN基材料器件性能并缩短其使用寿命。此外位错对AlN折射率等光学性能的影响尚未明确,直接限制了AlN基光电器件的结构设计。本论文围绕如何降低在异质蓝宝石衬底上外延生长AlN材料中缺陷密度以及缺陷对AlN折射率的影响展开系列研究。通过对AlN外延生长的表面/界面调控以及高温热处理等方法降低AlN材料位错密度,并揭示其缺陷演变机理。同时建立了AlN位错密度与折射率的关联。本论文取得的主要创新性成果总结如下:(一)通过MOCVD生长AlN过程中表面/界面调控,降低AlN缺陷密度1、利用中温插入层法调控蓝宝石衬底上外延生长AlN的界面,对AlN外延层、应力调控的同时,降低AlN材料中的缺陷密度。中温插入层的引入,使得在插入层上外延生长AlN材料经历由三维“岛状”生长到“二维”层状生长的转变,在此过程中使位错发生转弯、湮灭等,降低AlN外延层位错密度。同时插入层的岛状形貌引起的非双轴力场可缓和外延层所受应力,因此可利用插入层抑制样品表面裂纹并获得平整表面。最终获得了表面平整的AlN材料,其表面均方根粗糙度约为0.1 nm。2、利用表面调控的思路,在蓝宝石上引入物理气相沉积(PVD)AlN,构建PVD-AlN/蓝宝石复合衬底,并研究了PVD-AlN的厚度、退火时间等对MOCVD外延AlN质量的影响。研究表明,AlN外延层的质量随着PVD-AlN厚度的降低而提高,当PVD-AlN层由150 nm降低至40 nm时,高温AlN外延层的(102)面X射线衍射摇摆曲线(XRC)半高宽降低153 arcsec,(002)面XRC半高宽降低338arcsec。对PVD-AlN层厚度影响缺陷演变机理进行了探究,发现随着PVD-AlN厚度的降低,PVD-AlN层所受压应力增大,该压应力为高温MOCVD外延生长的AlN位错弯曲、湮灭提供了驱动力。(二)采用高温热处理法提升AlN材料结晶质量并揭示其机理利用高温热处理法提高AlN材料结晶质量,对热处理温度进行了优化。当热处理温度为1750℃时,AlN材料的(002)与(102)面XRC半高宽分别为98.3 arcsec与234.7 arcsec,对应的AlN缺陷密度分别为2.10×10~7 cm~(-2)与3.06×10~8 cm~(-2)。分析了高温热处理AlN降低缺陷密度的机理:在高温热处理过程中,晶体发生重结晶,晶粒融合从而降低了晶粒密度。因此由晶粒之间相互扭转与倾斜造成的位错被湮灭,位错密度随之降低。(三)阐明AlN中位错密度对其折射率影响系统研究了缺陷对AlN折射率的影响,建立了位错密度与AlN折射率的关联。通过对不同位错密度的AlN材料的折射率研究,表明AlN材料折射率随位错密度增大而降低。随着位错密度由4.24×10~8 cm~(-2)增大至3.48×10~9 cm~(-2)时,AlN材料折射率由2.2508降低至2.2102(对于光波长为280 nm)。理论分析表明,由于位错周围应变场的不均匀分布,导致位错周围折射率场分布不均。当光线经过位错时,由于位错周围折射率场的波动,其传播状态会发生改变。因此,对于光传播而言,具有高位错密度的AlN是非均匀介质,从而引起AlN材料整体的折射率发生变化。本研究对AlN基光电器件模拟仿真以及波导层设计等具有指导意义。
页数	125
DOI	00686B5C7FFEB9A5E78647867E8CFC69
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63893
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	贲建伟. AlN材料中缺陷调控及物性研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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