SiNx 掩膜對GaN 外延薄膜性質的影響

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SiNx 掩膜對GaN 外延薄膜性質的影響

彭曉雷,陳國祥,任開明,陳勝發

（廈門理工學院，廈門,361023）

摘要：研究了納米量級的多孔 SiNx 插入層的生長位置對高質量GaN外延薄膜性質的影響。測量結果表明：當把SiNx 插入層生長在GaN 粗糙層上，能夠得到最好的晶體質量；SiNx 插入層的生長位置對GaN 薄膜的應變大小基本沒有影響；然而，插入層的位置改變了薄膜中的本征載流子濃度。

關鍵詞：外延；氮化鎵；位錯；氮化硅掩膜

0　簡介

III-V族氮化物半導體材料(AlN, GaN 和InN)以及它們相關的合金和異質結以其優越的性能，在短波長光電子器件領域的應用中占據著重要的地位。由于GaN和襯底之間很大的晶格失配和熱失配，使外延材料中位錯密度很高，降低了GaN基器件的光學性能，妨礙了GaN基光電器件的廣泛應用。

SiNx 掩膜的引入，必然給GaN 薄膜的缺陷、應變、電學、光學性質帶來改變。作為LED 基礎的n 型材料的性質，研究其改變對理解材料和改善器件性能和質量都是十分重要的。在SiNx 的生長過程中，很多因素都會影響GaN薄膜的性質，比如溫度、反應室壓強、生長速率等。

研究發現，用SiNx 原位淀積出納米掩膜后，生長將由二維向三維轉變，直到完全合并為止。這種方法生長出的GaN 薄膜的應力分布較傳統的側向外延更加均勻；并利用拉曼光譜和光熒光譜分別計算了波膜中的殘余應力，兩者吻合的很好；并且從中發現隨著生長過程中SiNx 原位淀積時間的增加，生長在其上的GaN 外延膜中的殘余應力越小。這是因為，隨著SiNx原位淀積時間的增加，SiNx 納米掩膜的覆蓋度也增大。因此側向外延區的比例增大，殘余應力隨之減小。

1　實驗過程

在外延材料生長前，藍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。外延生長采用兩步生長法，首先在490℃生長20nm 厚的GaN 低溫緩沖層，經980℃高溫退火1分鐘后，生長200nm 的粗糙層GaN。其目的是使GaN 晶核增強三維生長模式，直到覆蓋整個藍寶石襯底表面。然后在1050℃高溫下生長約2.5μm 的非摻雜GaN。

原位沉積SiNx 納米掩膜的生長工藝是中斷GaN 的生長有機源TMGa，向反應室中通入200ppm 的SiH4，SiH4 與NH3 發生反應在表面形成非晶的SiNx，控制生長時間為6 分鐘。具體結構在生長過程中，采用光學測量的方法進行原位監測，探測光波長930nm，用以優化生長條件。

實驗中一共生長3塊樣品。分別編號為A、B、C。樣品的GaN 和SiNx生長條件完全相同，但是SiNx原位淀積的位置不同，樣品A將SiNx直接生長在藍寶石襯底上，樣品B的SiNx掩膜沉寂在粗糙層上，樣品C的SiNx掩膜生長在完全平坦的GaN表面。

對生長過后的樣品我們進行了結構的表征，利用Bede公司生產的高分辨x射線衍射儀（HRXRD），該設備采用的是Bede D1的測試系統，配置有六次反射的三晶Si（220）單色器，x射線發生器為Cu的Kα1線，波長為 0.154056nm。拉曼光譜也被用來表征材料性質。使用的設備是JY-T64000型喇曼光譜儀和532nm波長的Verdi-2型激光器，入射光斑直徑約為1μm。在低溫光熒光的測量中，激發光源采用50mW的325nm He-Cd激光器，系統配置0.5m單色儀，GaAs光電倍增管探測器。光譜曲線經過洛侖茲擬合以去處F-B干涉的影響，從而得到準確的熒光峰峰值。電學性質測量采用了Leihighton 1500測試系統測試2英寸外延材料的方塊電阻，并在自制的霍爾（Hall）測試系統中進行了電學性質的表征。

2　結果與分析

2.1HRXRD 表征材料的位錯密度

材料生長過后，我們首先利用HRXRD 對稱面和非對稱面的搖擺曲線的半峰寬來表征材料的晶體中質量。通常，對GaN 樣品的對稱面（0002）和非對稱面（1-102）半峰寬的測量時表征材料晶體質量最方便最快捷的方式。

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

利用HRXRD測量了一系列GaN 材料的一系列對稱和斜對稱衍射面的半寬，這些衍射面包括對稱面（0002）、（0004）和（0006）以及非對稱面的(10-11), (10-12),(10-13),(10-14),(10-15),(30-32)和(12-31)。其中對稱面只進行了ω 掃描，而非對稱面同時進行了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 為例說明我們的測量方法和測量結果。樣品B 的測量數據如圖1所示，圖中的（A）和（B）分別給出了對稱面和非對稱面的掃描結果。

GaN 的在ω 掃描中，對稱面晶體衍射面的展寬包含有兩個部分，分別是tilt 引起的展寬和橫向相干長度引起的展寬，前者隨著晶面指數的變化而變化，后者不隨晶面指數的變化而變化。

2.2GaN 樣品的低溫熒光測量

光熒光測量是表征GaN樣品光學性質和晶體質量的重要手段。我們測量了三個樣品在低溫下GaN的熒光峰，測量溫度保持在14K左右，測量結果如圖2所示。

表1　GaN樣品的x射線測量結果和計算結果

圖1　樣品B 的HRXRD 搖擺曲線半峰寬（A）對稱面 的ω 掃描,（B）非對稱面 的ωand φ 掃描

從圖2中還可以看到，三個樣品對應的熒光峰位基本一致，說明了三個樣品所受到的壓應力并沒有明顯區別。根據文獻的報道，Dingle等人認為GaN體材料在低溫下自由激子峰的峰位應該在3.474eV。

圖2　三個GaN 樣品的低溫光致發光測量

此外，我們還擬合了三個樣品自由激子峰的半峰寬，得到的結果分別是樣品A 為4.47meV, 樣品B 為3.62meV，樣品C 為12.3 meV。說明了樣品B 具有最好的晶體質量和光學性質，與上面HRXRD 測量結果一致。也就是說，當SiNx納米掩膜生長在粗糙層的GaN 表面時，能夠得到最好的晶體質量。

2.3GaN 樣品的電學性質測量

利用面電阻測量儀 Leihighton 1500 測試系統測試2英寸外延材料的面電阻，并用Van der Pauw 法測量了三個樣品的載流子濃度和遷移率，測量結果如表2 所示。

測量的面電阻率、載流子濃度和遷移率的關系式如下面公式：

n 為載流子濃度，q 為電荷電量，μ 為載流子遷移率。從表2的結果來看，我們兩種方式測量的結果與公式符合的很好。考慮到樣品的生長厚度為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。

可以認為，在SiNx生長條件和厚度相同的情況下，生長納米掩膜的位置與表面距離越遠，則GaN材料的本征載流子濃度越小，相應的遷移率也會大一些，可能的原因是在高溫生長過程中，離表面近的SiNx中的Si原子，更容易擴散到薄膜中來。說明材料的本征載流子濃度不僅受到材料晶體質量的影響，更受到SiNx 生長位置更直接的影響。作為藍光LED 生長基礎的n 型GaN，其載流子濃度會影響到有源區的發光位置，器件的電流擴展等多方面，一定要受到很好的控制，所以在利用SiNx 納米掩膜生長n 型GaN 時，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

系統研究了納米量級的多孔 SiNx 插入層的生長位置對高質量GaN外延薄膜性質的影響。高分辨x 射線衍射測量結果表明：當把SiNx 插入層生長在GaN 粗糙層上，能夠得到最好的晶體質量。利用測量結果分別計算出了螺位錯和刃位錯的密度。此外，GaN 薄膜的光學、電學性質分別用拉曼散射能譜、低溫光致發光能譜和霍爾測量的方法進行表征。發現SiNx 插入層的生長位置對GaN 薄膜的應變大小基本沒有影響。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方法中，控制GaN 薄膜本征摻雜水平的重要意義。

表2　三個樣品的面電阻率、載流子濃度和遷移率測量結果。

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SiNx mask to GaN epitaxial film properties

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(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

基金項目：廈門理工學院教學改革與建設項目（題目：必修、選修工種相結合的新型工程訓練培養模式編號：JGY201459）