SiNx 掩膜對(duì)GaN 外延薄膜性質(zhì)的影響

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SiNx 掩膜對(duì)GaN 外延薄膜性質(zhì)的影響

彭曉雷,陳國(guó)祥,任開(kāi)明,陳勝發(fā)

（廈門(mén)理工學(xué)院，廈門(mén),361023）

摘要：研究了納米量級(jí)的多孔 SiNx 插入層的生長(zhǎng)位置對(duì)高質(zhì)量GaN外延薄膜性質(zhì)的影響。測(cè)量結(jié)果表明：當(dāng)把SiNx 插入層生長(zhǎng)在GaN 粗糙層上，能夠得到最好的晶體質(zhì)量；SiNx 插入層的生長(zhǎng)位置對(duì)GaN 薄膜的應(yīng)變大小基本沒(méi)有影響；然而，插入層的位置改變了薄膜中的本征載流子濃度。

關(guān)鍵詞：外延；氮化鎵；位錯(cuò)；氮化硅掩膜

0　簡(jiǎn)介

III-V族氮化物半導(dǎo)體材料(AlN, GaN 和InN)以及它們相關(guān)的合金和異質(zhì)結(jié)以其優(yōu)越的性能，在短波長(zhǎng)光電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用中占據(jù)著重要的地位。由于GaN和襯底之間很大的晶格失配和熱失配，使外延材料中位錯(cuò)密度很高，降低了GaN基器件的光學(xué)性能，妨礙了GaN基光電器件的廣泛應(yīng)用。

SiNx 掩膜的引入，必然給GaN 薄膜的缺陷、應(yīng)變、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)帶來(lái)改變。作為L(zhǎng)ED 基礎(chǔ)的n 型材料的性質(zhì)，研究其改變對(duì)理解材料和改善器件性能和質(zhì)量都是十分重要的。在SiNx 的生長(zhǎng)過(guò)程中，很多因素都會(huì)影響GaN薄膜的性質(zhì)，比如溫度、反應(yīng)室壓強(qiáng)、生長(zhǎng)速率等。

研究發(fā)現(xiàn)，用SiNx 原位淀積出納米掩膜后，生長(zhǎng)將由二維向三維轉(zhuǎn)變，直到完全合并為止。這種方法生長(zhǎng)出的GaN 薄膜的應(yīng)力分布較傳統(tǒng)的側(cè)向外延更加均勻；并利用拉曼光譜和光熒光譜分別計(jì)算了波膜中的殘余應(yīng)力，兩者吻合的很好；并且從中發(fā)現(xiàn)隨著生長(zhǎng)過(guò)程中SiNx 原位淀積時(shí)間的增加，生長(zhǎng)在其上的GaN 外延膜中的殘余應(yīng)力越小。這是因?yàn)?，隨著SiNx原位淀積時(shí)間的增加，SiNx 納米掩膜的覆蓋度也增大。因此側(cè)向外延區(qū)的比例增大，殘余應(yīng)力隨之減小。

1　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在外延材料生長(zhǎng)前，藍(lán)寶石襯底在氫氣氛圍中加熱到1050℃處理10 分鐘，以去除襯底表面的雜質(zhì)。外延生長(zhǎng)采用兩步生長(zhǎng)法，首先在490℃生長(zhǎng)20nm 厚的GaN 低溫緩沖層，經(jīng)980℃高溫退火1分鐘后，生長(zhǎng)200nm 的粗糙層GaN。其目的是使GaN 晶核增強(qiáng)三維生長(zhǎng)模式，直到覆蓋整個(gè)藍(lán)寶石襯底表面。然后在1050℃高溫下生長(zhǎng)約2.5μm 的非摻雜GaN。

原位沉積SiNx 納米掩膜的生長(zhǎng)工藝是中斷GaN 的生長(zhǎng)有機(jī)源TMGa，向反應(yīng)室中通入200ppm 的SiH4，SiH4 與NH3 發(fā)生反應(yīng)在表面形成非晶的SiNx，控制生長(zhǎng)時(shí)間為6 分鐘。具體結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)過(guò)程中，采用光學(xué)測(cè)量的方法進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，探測(cè)光波長(zhǎng)930nm，用以優(yōu)化生長(zhǎng)條件。

實(shí)驗(yàn)中一共生長(zhǎng)3塊樣品。分別編號(hào)為A、B、C。樣品的GaN 和SiNx生長(zhǎng)條件完全相同，但是SiNx原位淀積的位置不同，樣品A將SiNx直接生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上，樣品B的SiNx掩膜沉寂在粗糙層上，樣品C的SiNx掩膜生長(zhǎng)在完全平坦的GaN表面。

對(duì)生長(zhǎng)過(guò)后的樣品我們進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的表征，利用Bede公司生產(chǎn)的高分辨x射線衍射儀（HRXRD），該設(shè)備采用的是Bede D1的測(cè)試系統(tǒng)，配置有六次反射的三晶Si（220）單色器，x射線發(fā)生器為Cu的Kα1線，波長(zhǎng)為 0.154056nm。拉曼光譜也被用來(lái)表征材料性質(zhì)。使用的設(shè)備是JY-T64000型喇曼光譜儀和532nm波長(zhǎng)的Verdi-2型激光器，入射光斑直徑約為1μm。在低溫光熒光的測(cè)量中，激發(fā)光源采用50mW的325nm He-Cd激光器，系統(tǒng)配置0.5m單色儀，GaAs光電倍增管探測(cè)器。光譜曲線經(jīng)過(guò)洛侖茲擬合以去處F-B干涉的影響，從而得到準(zhǔn)確的熒光峰峰值。電學(xué)性質(zhì)測(cè)量采用了Leihighton 1500測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試2英寸外延材料的方塊電阻，并在自制的霍爾（Hall）測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行了電學(xué)性質(zhì)的表征。

2　結(jié)果與分析

2.1HRXRD 表征材料的位錯(cuò)密度

材料生長(zhǎng)過(guò)后，我們首先利用HRXRD 對(duì)稱(chēng)面和非對(duì)稱(chēng)面的搖擺曲線的半峰寬來(lái)表征材料的晶體中質(zhì)量。通常，對(duì)GaN 樣品的對(duì)稱(chēng)面（0002）和非對(duì)稱(chēng)面（1-102）半峰寬的測(cè)量時(shí)表征材料晶體質(zhì)量最方便最快捷的方式。

把三個(gè)樣品的（0002）和（1-102）衍射面的測(cè)量結(jié)果列在了表1中，從表中可以看到，樣品B 的晶體質(zhì)量要好于樣品A 和C。

利用HRXRD測(cè)量了一系列GaN 材料的一系列對(duì)稱(chēng)和斜對(duì)稱(chēng)衍射面的半寬，這些衍射面包括對(duì)稱(chēng)面（0002）、（0004）和（0006）以及非對(duì)稱(chēng)面的(10-11), (10-12),(10-13),(10-14),(10-15),(30-32)和(12-31)。其中對(duì)稱(chēng)面只進(jìn)行了ω 掃描，而非對(duì)稱(chēng)面同時(shí)進(jìn)行了ω 掃面和φ 掃描。由于涉及的衍射面比較多，所以我們只以樣品B 為例說(shuō)明我們的測(cè)量方法和測(cè)量結(jié)果。樣品B 的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖1所示，圖中的（A）和（B）分別給出了對(duì)稱(chēng)面和非對(duì)稱(chēng)面的掃描結(jié)果。

GaN 的在ω 掃描中，對(duì)稱(chēng)面晶體衍射面的展寬包含有兩個(gè)部分，分別是tilt 引起的展寬和橫向相干長(zhǎng)度引起的展寬，前者隨著晶面指數(shù)的變化而變化，后者不隨晶面指數(shù)的變化而變化。

2.2GaN 樣品的低溫?zé)晒鉁y(cè)量

光熒光測(cè)量是表征GaN樣品光學(xué)性質(zhì)和晶體質(zhì)量的重要手段。我們測(cè)量了三個(gè)樣品在低溫下GaN的熒光峰，測(cè)量溫度保持在14K左右，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

表1　GaN樣品的x射線測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果

圖1　樣品B 的HRXRD 搖擺曲線半峰寬（A）對(duì)稱(chēng)面 的ω 掃描,（B）非對(duì)稱(chēng)面 的ωand φ 掃描

從圖2中還可以看到，三個(gè)樣品對(duì)應(yīng)的熒光峰位基本一致，說(shuō)明了三個(gè)樣品所受到的壓應(yīng)力并沒(méi)有明顯區(qū)別。根據(jù)文獻(xiàn)的報(bào)道，Dingle等人認(rèn)為GaN體材料在低溫下自由激子峰的峰位應(yīng)該在3.474eV。

圖2　三個(gè)GaN 樣品的低溫光致發(fā)光測(cè)量

此外，我們還擬合了三個(gè)樣品自由激子峰的半峰寬，得到的結(jié)果分別是樣品A 為4.47meV, 樣品B 為3.62meV，樣品C 為12.3 meV。說(shuō)明了樣品B 具有最好的晶體質(zhì)量和光學(xué)性質(zhì)，與上面HRXRD 測(cè)量結(jié)果一致。也就是說(shuō)，當(dāng)SiNx納米掩膜生長(zhǎng)在粗糙層的GaN 表面時(shí)，能夠得到最好的晶體質(zhì)量。

2.3GaN 樣品的電學(xué)性質(zhì)測(cè)量

利用面電阻測(cè)量?jī)x Leihighton 1500 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試2英寸外延材料的面電阻，并用Van der Pauw 法測(cè)量了三個(gè)樣品的載流子濃度和遷移率，測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

測(cè)量的面電阻率、載流子濃度和遷移率的關(guān)系式如下面公式：

n 為載流子濃度，q 為電荷電量，μ 為載流子遷移率。從表2的結(jié)果來(lái)看，我們兩種方式測(cè)量的結(jié)果與公式符合的很好?？紤]到樣品的生長(zhǎng)厚度為2.5μm，樣品A 的載流子濃度最小，為5.7×1017cm-3；樣品B的載流子濃度為7.8×1017cm-3；樣品C 的載流子濃度為1.09×1018cm-3。

可以認(rèn)為，在SiNx生長(zhǎng)條件和厚度相同的情況下，生長(zhǎng)納米掩膜的位置與表面距離越遠(yuǎn)，則GaN材料的本征載流子濃度越小，相應(yīng)的遷移率也會(huì)大一些，可能的原因是在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中，離表面近的SiNx中的Si原子，更容易擴(kuò)散到薄膜中來(lái)。說(shuō)明材料的本征載流子濃度不僅受到材料晶體質(zhì)量的影響，更受到SiNx 生長(zhǎng)位置更直接的影響。作為藍(lán)光LED 生長(zhǎng)基礎(chǔ)的n 型GaN，其載流子濃度會(huì)影響到有源區(qū)的發(fā)光位置，器件的電流擴(kuò)展等多方面，一定要受到很好的控制，所以在利用SiNx 納米掩膜生長(zhǎng)n 型GaN 時(shí)，如何定量的分析n 型載流子摻雜濃度也是非常重要的。

3　小結(jié)

系統(tǒng)研究了納米量級(jí)的多孔 SiNx 插入層的生長(zhǎng)位置對(duì)高質(zhì)量GaN外延薄膜性質(zhì)的影響。高分辨x 射線衍射測(cè)量結(jié)果表明：當(dāng)把SiNx 插入層生長(zhǎng)在GaN 粗糙層上，能夠得到最好的晶體質(zhì)量。利用測(cè)量結(jié)果分別計(jì)算出了螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)的密度。此外，GaN 薄膜的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)分別用拉曼散射能譜、低溫光致發(fā)光能譜和霍爾測(cè)量的方法進(jìn)行表征。發(fā)現(xiàn)SiNx 插入層的生長(zhǎng)位置對(duì)GaN 薄膜的應(yīng)變大小基本沒(méi)有影響。然而，插入層的位置改變了薄膜中的本征載流子濃度。并提到了在這種生長(zhǎng)方法中，控制GaN 薄膜本征摻雜水平的重要意義。

表2　三個(gè)樣品的面電阻率、載流子濃度和遷移率測(cè)量結(jié)果。

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SiNx mask to GaN epitaxial film properties

Peng Xiaolei,Chen Guoxiang,Ren Kaiming,Chen Shengfa

(institute of technology in xiamen, xiamen,361023)

Abstract：The research of nanometer level on growth of porous SiNx inserted into the layer of high quality GaN epitaxial film properties.Measurement results show that when inserted the SiNx layer growth on the rough GaN layer,can get the best crystal quality.The growth of the SiNx inserted into the layer position of GaN film strain had little influence upon size; However,the position of the insertion layer the intrinsic carrier concentration in the film.

Keywords：extension;Gallium nitride;Dislocation;Silicon nitride mask

基金項(xiàng)目：廈門(mén)理工學(xué)院教學(xué)改革與建設(shè)項(xiàng)目（題目：必修、選修工種相結(jié)合的新型工程訓(xùn)練培養(yǎng)模式編號(hào)：JGY201459）