MBE生長的GaN的物性

鄭顯通，苑進社，李 瑤，劉 帆

(重慶師范大學物理與電子工程學院，重慶 400047)

近年來，作為第3代半導體的III－V族氮化物(尤其是GaN)，由于具有較寬的直接帶隙、強化學鍵、耐高溫、高熱導率，抗腐蝕(幾乎不被任何酸腐蝕)等優良性能，使之成為制造短波長高亮度發光器件、高溫晶體管、高功率晶體管和紫外光探測器等的理想材料［1－3］。正是由于GaN在科學研究和實際應用方面的重要意義，使GaN成為當前半導體科學技術領域國際性的研究熱點。GaN室溫下具有3.39 eV的寬直接帶隙，并擁有十分優異的化學和物理穩定性，材料制備技術也相對成熟，是非常令人感興趣的材料［4］。因其適宜的禁帶寬度和直接型能帶結構，使得這一新材料十分適合于發展可見光區短波段和紫外波段的光電器件。1993年日本的中村修二研發出了藍光發光二極管(LED)，之后又研發了紫外光電探測器［5］。同時，它是制備惡劣環境下使用的特種器件的優選材料，如用于發展高溫器件、抗輻射器件以及手機通訊中的大功率器件等［6－7］。GaN的制備方法主要有氫化物氣相外延(HVPE)、金屬有機化合物氣相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。其中HVPE和MOCVD因能夠實現大面積、均勻、多片一次生長，符合最終產業化的發展要求而得到廣泛重視。MBE生長速率相對較低，所以可以精確地控制薄膜的膜厚、組分和摻雜，對GaN的研究具有重大意義。

1 實驗

本實驗采用的GaN樣品是用MBE方法生長的。首先用反射高能電子衍射(RHEED)、原子力顯微鏡(AFM)對樣品的表面形貌進行分析，樣品質量檢測采用的是高分辨率X光衍射(XRD)，室溫光致發光(PL)的激光源采用325nm的He－Cd激光線。發射光經光柵單色儀，經光電倍增管接收后，由計算機采樣收集數據。樣品電學性質的研究采用范德堡霍爾(Hall)測量技術在室溫下進行。

2 結果分析

圖1是樣品生長后的RHEED圖案，晶面分別是(11－20)面和(10－10)面。由于電子只與樣品的表面幾層原子相互作用，所以材料可以等效為二維平面材料。由這2幅圖可以看出，雖然在(11－20)面雖中間可以看到有1個小小的圓斑，但總體上還是一個清晰的明亮條紋，而(10－10)面中間的亮斑已不是明顯的條紋狀，呈菱形，這說明本次實驗的樣品在原子量級上較為平整，但在較大范圍內并不平。圖2也說明了這一點。

圖1 GaN(11－20)面和(10－10)面RHEED衍射圖

圖 2 是樣品在 5 μm × 5 μm，3 μm × 3 μm，1 μm×1 μm的掃描范圍內的AFM表面形貌，圖2(a)中有許多高度密集的呈丘壑狀的島狀結構，它的表面起伏均方根大小為12.1 nm。細掃到3 μm ×3 μm，1 μm ×1 μm 的范圍后發現，在圖 2(a)、(b)中表面形貌并沒有被晶粒結構所占據，看不到晶粒結構上臺階狀的表面形貌，均方根分別為11.67 nm和10.85 nm。正如之前RHEED分析的一樣，表面平整度在大范圍尺度并不是很平，呈現出三維的島狀生長模式。

圖2 GaN的AFM表面形貌

圖3是GaN樣品(002)面和(102)面的搖擺曲線，黑色實線為實驗測得的數據曲線，對這條曲線進行洛倫茲擬合，擬合公式為

其中:W為半高全寬FWHM;Xc為峰值最大值對應的X值。擬合后的曲線為虛線。經過擬合計算得到:(002)面的半高寬為569 s，(102)的半高寬為1512 s，(002)半高寬反映外延層的螺位錯密度，(102)半高寬反映的是穿透位錯密度［8］。根據公式［9］:

其中:β為XRD搖擺曲線半高寬;b為伯格斯矢量長度;bs=0.5185 nm;bs=0.3189 nm［10］。

圖3 GaN高分辨率X射線衍射搖擺曲線

經過計算，由表1可看到:樣品的螺位錯密度為1.2 ×109，刃位錯密度為 2.2 ×1010。刃位錯密度比螺位錯密度大1個數量級，表明樣品中的位錯以刃位錯為主，這也可以從RHEED上面反映出來。由圖1可明顯地發現:(10－10)面要比(11－20)面粗糙很多，這說明(10－10)面的晶體質量并不好，要比(11－20)面差一些，而(10－10)對應的是樣品的刃位錯，(11－20)對應的是樣品的螺位錯，這與XRD測量得到的結果是一致的。

表1 樣品的位錯密度

樣品的電學性質Hall測量結果如表2所示。

表2 樣品的遷移率和電子濃度

由表2可以看到:樣品遷移率為129 cm2/v·s，與MOCVD生長的樣品相比并不高，但是樣品的載流子濃度只有2.421×1014cm－3，要比 MOCVD方法生長的GaN低很多，這是因為MOCVD生長時真空度不是很高，引入了很多雜質，而這部分雜質或者缺陷(如氫原子、氮空位等)通常都是起施主雜質的作用，向導帶提供電子，導致本征載流子濃度就很高，而MBE是高真空系統，大大減小了雜質對樣品造成的影響，雜質向導帶提供的電子減少，結果必然是背景濃度降低。至于較低的遷移率，這是因為樣品的位錯密度很高，位錯缺陷形成了散射中心，降低了電子的遷移率。

圖4為樣品的PL譜，激光源采用的是325 nm的He－Cd激光線，發射光經光柵單色儀，由光電倍增管接收后，通過計算機采樣收集數據。在圖中可以看到明顯的帶邊峰，對應的波長為362 nm，這是導帶到價帶躍遷發射的。圖中并沒有看到明顯的黃帶和藍帶發光，細看450 nm以后的PL譜可以看到微弱的黃帶，但是比帶邊峰要弱1～2個數量級。

圖4 GaN在室溫325納米He－Cd激光器的PL譜

3 結束語

首先研究了MBE生長的GaN的表面形貌，發現表面并不平整，(10－10)面比(11－20)面差一些。然后XRD表征發現，螺位錯密度要比刃位錯密度低1個數量級。Hall測量表明遷移率很低，這是由于晶體質量較差，位錯缺陷較多，形成了較多的散射中心，降低了遷移率，但是由于高真空生長，引入的雜質較少，所以背景濃度低很多，PL譜可以看到明顯的帶邊發射峰。

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