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GaN基材料半导体激光器的发展动态
GaN基材料半导体激光器的发展动态
GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SiC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
GaN是极稳固的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。
在大气压力下,GaN晶体一样是六方纤锌矿结构。
它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高,又是一种良好的涂层爱护材料。
在室温下,GaN不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以专门缓慢的速度溶解。
NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN,可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。
GaN在HCL或H2气下,在高温下出现不稳固特性,而在N2气下最为稳固。
2材料特性及器件应用
2.1材料特性
GaN是目前为止所有Ⅲ-Ⅴ族氮化物中研究最多的材料,但与常用的Si和GaAs材料相比,对GaN的了解依旧远远不够的。
过去较大的本底n型载流子浓度,缺乏合适的衬底材料,GaNp型掺杂的困难及加工困难使研究人员屡屡受挫。
人们对GaN感爱好的一个要紧缘故是它作为蓝光、紫光发射器件的应用潜力。
正是由于那个缘故,许多GaN的研究工作致力于测定GaN的光学特性。
Muraska和Tietjian第一精确测出了GaN的直截了当带隙为3.39eV。
此后不久,Pankove报道了低温GaNPL光谱。
随后,Dingle等人对高质量GaN进行了PL和阴极发光光谱测量,还有一些人进行了发射、反射和吸取测量。
Kosicki等人报道了多晶GaN的光学吸取和真空反射率。
通过光学泵浦在许多实验中发觉了GaN的受激发射。
Dingle等人领先报道了GaN的激射情形。
众所周知,SiO2是半导体加工中常用的一种专门重要的介质材料,它还可用于GaN基激光二极管的制作。
由于二氧化硅中氧对GaN光学质量的可能阻碍,目前有一种研究二氧化硅对GaN光学特性和电学特性阻碍的实际需求。
最近X.C.Wang等人报道了对这一咨询题研究的初步结果。
研究发觉,SiO2可引起GaN外延层PL性能的明显退化。
二次离子质谱(SIMS)测量结果表明,SiO2层中的氧可能是GaNPL强度下降的真正缘故。
另外还发觉快速热退火(RTP)能够复原和提升PL性能。
2.2器件进展
在成功地开发出蓝光和绿光LED之后,科研人员开始将研究重点转移到电注入GaN基蓝光LD的开发方面。
1996年,Nichia公司第一实现了室温条件下电注入GaN基蓝光LD的脉冲工作,随后又在年底实现了室温下的连续波工作。
Nichia公司的成功以及蓝光LD的庞大市场潜力致使许多大公司和科研机构纷纷加入到开发Ⅲ族氮化物蓝光LD的行列之中,其中Nichia公司的GaN蓝光LD在世界上居领先地位,其GaN蓝光LD室温下2mw连续工作的寿命已突破10000小时。
目前制作GaN基激光器常用蓝宝石、SiC和GaN衬底。
蓝宝石用作GaN基LD的衬底时存在腔镜制作和电极工艺方面的咨询题。
SiC衬底能够满足所有要求。
现已成功地在SiC衬底上生长出了高质量的GaN基材料。
SiC上生长的InGaNLD的室温脉冲工作和连续波工作时有报道。
P型和n型电极分不制作在芯片的顶部和底部的垂直导电结构InGaNLD也已有报道。
1998年三星SAIT的研究人员演示了氮化物蓝光激光器室温下的脉冲工作。
三星的激光器结构是在蓝宝石衬底上生长的,但未用外延横向过生长。
有源区包括一个InGaN/GaNMQW,ALK0.07Ga0.93N用作包层。
利用CAIBE向下刻蚀到n型GaN层制作出了10umX800um的条带。
激光器端面是利用CAIBE或解理形成,端面表面未镀膜。
在1微秒脉宽、1KHz的工作电流条件下测量了激光器的特性。
在16.5V的工作电压下测得的阈值电流为1.6A,对应于20.3KA/cm2的阈值电流密度。
高于阈值电流时,观看到了一种强烈且清晰的发射模式,中心波长为418nm。
1998年ShijiNakamura等人在蓝宝石上横向过生长的GaN上生长了InGaN多量子阱(MQW)结构激光二极管。
在InGaN阱层为2时得到了1.2和2.8KA/cm2的最低阈值电流密度。
InGaNMQWLD生长在去除蓝宝石后得到的独立GaN衬底上。
在温室连续波应用条件下,待解理镜面的LD的输出功率高达30mW。
通过将脊波导减小到2um,观看到了稳固的基横模。
在50C环境温度、CW应用条件下,5mW恒定输出功率下的LD寿命约为160小时。
富士通继NichiaCreeResearch和索尼等公司之后,宣布研制成了InGaN蓝光激光器,该激光器可在温室下CW应用。
激光器结构是在SiC衬底上生长的,同时采纳了垂直导电结构(p型和n型接触分不制作在晶体片的顶面和背面)。
这是首次报道的垂直器件结构的CW蓝光激光器,激光器机构见图2.富士通研制的激光器是利用LP-MOVPE在6H-SiC衬底上生长的。
晶体磨薄到大约100nm和形成接触后,解理晶片形成500nm的长腔。
条带方向是[1100],具有高反射率镀膜的解理面为(1100)。
激光器芯片p侧朝上安装在管芯上。
在25C脉冲应用(300ns,1KHz)下,阈值电流和阈值电压分不是84mA和12.0V,相当于506KA/cm2的阈值电流密度,这是SiC上InGaN激光器的最低值。
在CW条件下,阈值电流和阈值电压分不为115mA和10.5V。
峰值波长为408.2nm。
器件可在高达40C下工作。
且前各大公司的GaN基蓝光LD的研究水平见表1。
表1各大公司GaN基蓝光LD的研究水平汇总
1998年10月,ReikoSoejima等人曾报道了SiC上制作的垂直传导结构的InGaNMQWLD在250K下的连续波工作。
其阈值电流、阈值电压和阈值电流密度分不为380mA、12.6V和12KA/cm2。
这些结果表明SiC衬底上的InGaN激光器前途光明。
Nichia公司的ShujiNakamura最近还研制成功了大功率长寿命的InGaNMQW结构LD,在这种激光器中采纳了调制掺杂应变层超晶格(MD-SLS)和外延横向过生长GaN(EL-OG)衬底,见图3.
ALGaN/GaN调制掺杂应变层超晶格用作包层,替代了较厚的ALGaN层,其厚度在临界范畴内,其目的是防止ALGaN用于减少GaN层中的线位错的数目。
在这种激光器中ShujiNakamura采纳了ELOG衬底,这是因为当利用拉宝石衬底时,难于得到用于常规LD腔的解理镜面,同时蓝宝石的热导率(0.5W/cn.K)也不如GaN(1.3W/cm.K)高,不利于散掉LD产生的热。
利用自动功率操纵器将每面功率操纵为5mW的稳固输出功率,在温室下对CW工作的LD进行了寿命测试。
在工作100小时以后,随着工作时刻的增加,工作电流几乎仍保持不变。
在工作290小时以后LD仍能连续正常工作。
按照退化速度能够估量出LD的寿命。
退化速度定义为dI/dt(mA/100h),式中I为LD的工作电流,t是工作时刻。
利用这一退化速度得到工作电流增加到LD初始工作电流的2倍时的估量寿命,这种激光器的估量寿命大约为10000小时左右,这种LD在RT、CW下的典型L-I和V-I特性如图4所示。
另外ShujiNakamura等人还在蓝宝石衬底上的ELOG上生长了InGaN多量子阱结构LD,在RT-CW工作条件下,这种具有明白得镜面的LD每面输出功率高达420mW。
在高达100mW的输出功率下观测到了基横模。
在50C的环境温度和30mW的稳固输出功率下,LD的CW工作寿命大于160小时。
温度变化引起的波长漂移估量为0.06nm/K,远远小于ALInGaPLD的0.3nm/K的波长漂移值。
这些长寿命、大功率、高可靠激光器的实现为GaN基激光器的商品化铺平了道路。
2.3关键技术
目前Ⅲ-Ⅴ族氮化物激光二极管的要紧咨询题包括;p型掺杂,减小位错密度,合适的激发结构,解理面、反射镜的制备,新工艺,欧姆接触,衬底和外延生长。
只有解决了上述咨询题之后才有可能真正实现长寿命、高可靠的器件。
现仅就材料生长、衬底选择、欧姆接触和干法刻蚀做一简单介绍。
2.3.1材料生长
高质量的GaN材料是研究开发Ⅲ族氮化物发光器件和电子器件以及保证器件性能和可靠性的前提条件。
目前GaN的异质外延生长要紧采纳MOVPE、MBE和HVPE等外延技术。
HVPE以GaCl3为Ga源,NH3为N源,能够在1000C左右在蓝宝石衬底上快速生长质量较好的GaN材料。
其缺点是专门难精确操纵膜的厚度。
HVPE要紧用于改进MOVPE生长的LED结构以提升光效率,或改进MBE生长的LD结构,使其具有较低的串连电阻和较好的解理。
MBE技术直截了当以Ga或Al的分子束作为Ⅲ族源,以NH3作N源,在衬底表面生成Ⅲ族氮化物。
采纳MBE生长GaN及异质结构材料的优点一是低温生长,一样在700C左右,从而幸免了扩散咨询题;二是生长后无需进行热处理。
为了进一步提升晶体质量,正在研究以等离子体辅助增强技术激发N2,替代NH3做N源。
MBE生长Ⅲ族氮化物的速度较慢,能够精确操纵膜厚,但关于外延层较厚的器件如LED和LD来讲,生长时刻过长,不能满足大规模生产的要求。
MOVPE技术以Ⅲ族金属有机物为Ⅲ族源,以NH3为N源,在高温下进行Ⅲ族氮化物的生长,MOVPE的生长速率适中,能够精确操纵膜厚,专门适合于LED和LD的大规模生产。
MOVPE技术是目前使用最多,材料和器件质量最高的生长方法。
2.3.2衬底的选择
阻碍GaN研究的要紧困难之一确实是缺乏于GaN晶格匹配且热兼容的合适的衬底材料。
尽管人们差不多认识到缺乏本体衬底是氮化物研究的要紧障碍,然而因为本体生长被认为是劳而无功的情况,因此从事这方面研究的人员专门少。
该领域的工作人员要紧研究的是在许多不同衬底上的异质外延生长。
衬底的种类和质量对外延阻碍专门大。
在选择衬底时通常要考虑如下因素:
尽量采纳同一系统的材料作为衬底;失配度越小越好;材料的热膨胀系数相近;用于光电器件中最好寻求低阻衬底;用于微波器件中最好选取良好微波介质性质的半绝缘材料;用于激光器时,要易于解理以形成腔面。
此外还要考虑到材料的尺寸和价格等咨询题。
尽管许多材料能够或有望于GaN异质外延生长,但目前要紧采纳的衬底材料只有SiC和蓝宝石。
蓝宝石衬底是目前使用最为普遍的一种衬底材料。
它具有与纤锌矿Ⅲ族氮化物相同的六方对称性,也是微电子研究中经常使用的衬底材料。
其制备工艺成熟、价格较低、易于清理和处理,而且在高温下具有专门好的稳固性,能够大尺寸稳固生长。
但蓝宝石衬底本身不导电,不能制作电极,其解理较为困难,晶格常数与GaN相差15%,而且同GaN材料的热膨胀系数也存在较大的差异。
目前以蓝宝石为衬底的GaN/GaInN蓝绿光LED差不多实现商品化,蓝光LD也差不多实现室温条件下的连续波工作。
SiC是另一类专门重要的衬底材料,同蓝宝石相比,SiC本身具有蓝光发光特性,且为低阻材料,能够制作电极,其晶格常数和材料的热膨胀系数与GaN材料更为接近,同时易于解理。
SiC材料的缺点是价格昂贵。
GaN是最为理想的衬底材料,但目前所能获得的单晶尺寸太小。
最近有人提出了外延横向过生长GaN(EpitaxialLateralOvergrowthGaNELOG)衬底和端面开始的外延横向过生长技术(FacedInitiatedEpitaxialLateralOvergrowthFIELO)。
这种技术用于生产低位错密度的GaN。
目前ELOG技术差不多用于蓝光LD,并获得了中意的结果。
Masaru利用FIELO技术在蓝宝石衬底上成功地生长出了无裂纹且具有类镜面表面的低位错密度GaN层。
通过除去蓝宝石衬底可得到独立的GaN晶片。
研究表明FIELO衬底上生长的LD的激射阈值总比蓝宝石衬底上生长的LD低,同时可靠性也有了明显地提升。
2.3.3欧姆接触
由于GaN基器件如发光二极管、激光二极管和MESFET及HEMT的开发成功,制作电阻较低、可靠性良好的高质量欧姆接触的技术意义就显得更为重要。
事实上p-GaN的高接触电阻是实现长寿命CW工作的GaN基器件的要紧技术障碍之一,因此开发高质量p-GaN欧姆接触是提升器件性能的关键。
关于n-GaN欧姆接触而言,广泛研究的是Ti或AlJ基金属化方法(如Al,Ti/Al,Ti/Au,Ti/Al/Ni/Au和Pd/Al).在这些金属化方法中实现了10-3~10-8Ω·cm²的低接触电阻,这关于光学或电子器件工作来讲已足够好。
然而关于p-GaN欧姆接触而言,有两种要紧的技术障碍使得开发器件质量欧姆接触专门困难。
第一种来自生长重掺杂p-GaN(>1018cm-1)方面的困难。
第二种是没有一种功函数大于p型GaN(约7.5eV)的适当金属。
这些咨询题导致了接触电阻大于10-2Ω·cm²。
Trexler等人研究了p-GaN的Ni/Au和Pd/Au金属化。
研究表明在900℃下退火15秒时,仅Cr/Au接触是欧姆接触,比接触电阻为4.1×10-1Ω·cm²。
Jang等人利用Ni/Pt/Au金属化研究了p-GaN的欧姆接触。
结果表明在Ar流淌气氛下在500℃下退火30秒时,这种金属接触属欧姆接触,接触电阻为2.1×10-2Ω·cm²。
Ja-SoonJang等人报道了中等掺杂p型GaN·Mg(3×1017cm-3)的低阻欧姆接触的Pt(20nm)/Ni(30nm)/Au(80nm)金属化方法。
p-GaN的已淀积和退火Pt/Ni/Au接触都显示出线性的电流电压特性,讲明形成了高质量的欧姆接触。
在N流淌气氛下在35C下退火1分钟时Ni/Pt/Au显示出了5.1×10-4Ω·cm²的比接触电阻。
下面的图5示出了p-GaN的Ni/Pt/Au接触的L-V特性。
从图中能够看出,在350℃下退火1分钟进一步提升了Ni/Pt/Au接触的欧姆特性。
测得的比接触电阻为5.1×10-4Ω·cm²。
这是目前所报道的p-GaN接触的最低接触电阻。
2.3.4干法刻蚀
由于GaN的化学稳固性极高,没有可重复的湿法刻蚀剂,在室温下高质量的氮化物对所有的酸均呈惰性,在热碱中腐蚀的也专门慢,因此进展干法刻蚀专门重要。
A·T·Ping等人报道了利用Ar离子和HCl气体化学增速离子束刻蚀MOCVDGaN的研究情形,研究了刻蚀速率与离子束能量和衬底低温的关系。
研究发觉HCl气体与Cl2相比,在较低离子束能量(300eV)下刻蚀速率较低,实现了高度各向异性刻蚀分布。
这表明干法刻蚀工艺适合于制作激光器的端面和镜面。
采纳Cl2F2及其与N2混合气体的反应离子刻蚀已有报道。
这种等离子体采纳射频(13.56MHz),在不锈钢/石英反应器中辉光放电,其量大的射频功率为5KW,差不多成功开发了表面质量和刻蚀速率均为最佳的条件;采纳纯CCl:
N2=1:
1,压力0.4~6.65Pa,流量12~60sccm,其最快的刻蚀速率约为20nm/分。
2.4应用与前景
短波长氮化物基激光器二极管现在差不多走出实验室进入到实际应用时期,它有望用作电发光显示、激光打印机、高密度激光储备煤质和光通信系统的光源。
在开发蓝光LD的进程中谈论最多的应用是光学数据储备系统,但元件的首次应用却是在一个完全不同的领域——光谱学。
Nichia公司的LD器件应用到德国激光系统生产厂家TuoipticsGmbHrDL100外腔二极管和校准光学器件,实现了小至1MHz的线宽,足以辨论出原子跃迁的自然线宽。
尽管这是第一个利用蓝光LD的商品,然而在许多应用领域也取得了进展。
通过对LD波长、系统数值孔径、信号处理的改进,DVD-ROM可比CD-ROM的储备容量提升7倍。
而应用蓝光LD能够大幅度增加信息的光储备密度。
目前采纳780nm的近红外激光,单面CD-ROM的信息记录量约为650MHz,而采纳635nm或650nm的红色激光,单面DVD-ROM的信息记录量能够达到4.78GB,利用蓝光LD可将单面DVD-ROM的信息记录量提升到14GB,同时信息的寻道时刻将缩短到20~40ms,而目前CD-ROM的寻道时刻通常为100~150ms。
GaNLD的迅速进展也将阻碍到以后的印刷业,以后打印机技术受速度、色彩、辨论率、电力消耗和多功能等多种要求的阻碍。
蓝光LD能够满足以后打印机的要求。
高输出功率单模连续波GaNLD的较高功率可使打印速度提升及图像性能改善。
此外GaN基蓝光LD还可应用于显示技术和光对潜通信等方面,其应用广泛,市场庞大,估量今后几年GaN基LD的市场将会达到几倍增长。
GaN基LD的进展也必将带动有关行业的进展,能够讲是以后经济新的增长点,因此世界许多公司都竞相投入到GaN基LD的开发与研制活动中心,氮化物基LD的前景一片光明。
3蓝宝石衬底分子束外延生长GaN薄膜的原位椭偏光谱分析
目前,GaN半导体薄膜材料已成为研制高温、高功率、高速短波长光电子器件和新型微电子器件的重要材料,并已取得重大进展。
但由于GaN外延层与蓝宝石衬底之间的晶格常数和热膨胀系数失配,致使在GaN单晶薄膜异质外延中,产生大量的结构缺陷。
专门是在分子束外延(MBE)中,产生的线位错密度高达108~1010cm-2,引发多种表面结构缺陷。
GaN单晶薄膜中的线位错缺陷形成的散射中心阻碍发光器件的性能;螺旋型线位错在其中心可形成纳米尺度的管道,这些纳米级的空泛对接触金属、掺杂剂和其他杂质形成扩散通道,严峻阻碍器件的电学性质。
因此,减少GaN单晶薄膜生长过程中产生的结构缺陷成为亟待解决的关键技术咨询题。
MBE是制备高质量GaN薄膜的重要技术之一,专门是可原为监控生长过程,制备的薄膜材料可广泛应用于各种光电探测器和微电子器件。
近几年来,通过选择优化MBE生长速度与温度,专门是在成功利用射频(RF)等离子体源和电子回旋共振(ECR)微波等离子体源辅助技术之后,制备的GaN薄膜质量大幅提升,但样品的表面平坦度远不及金属有机物气相外延(MOVPE)技术生长的GaN薄膜。
理论分析认为,MBE生长GaN过程中产生的较高的位错密度是丘状螺旋生长的起源,而Ga原子的扩散长度较短导致表面扩散受限,可能是较高的位错密度产生的要紧缘故。
采纳衬底偏晶向法形成单原子高度台阶的邻晶面,使薄膜生长实现台阶流淌(SF)模式,可抑制螺旋位错的显现得到平滑表面的薄膜。
本文通过对比分析蓝宝石常规和邻晶面衬底MBE生长GaN薄膜中的线原位椭偏(SE)光谱,研究探讨了外延层中应变能开释过程和位错缺陷生成机制。
3.1椭偏光谱差不多原理
电磁波在介质中传播时,相对介电常数代表介质中分子的极化效应。
关于离子键成分占39%的GaN半导体材料,GaN分子在极化过程中总是存在损耗。
电磁波在GaN材料中传播时,交变电场的作用使GaN中正负离子有关于平稳位置发生位移,部分电场能量转化为GaN晶体晶格振动能量。
这种极化过程存在的能量损耗通常用相对复介电常数来描述,现在相对介电常数εr为虚数,可假定εr=ε1+iε2,材料的差不多化学常数折射率n和消光系数K以及相对介电常数的实部ε1和虚部ε2差不多上入射光波长的函数,折射率和小光系数与复介电常数的函数关系式为
光通过两种两种介质界面时的反射和透射光强与材料的光学常数相联系。
就反射光谱而言,只要不是在正入射情形下测量,垂直于入射面偏振的电矢量和平行于入射面偏振的电矢量其振幅反射系数不同,具体可描述为
由此可见,对斜入射的偏振光,经介质表面反射后其电矢量振幅和相位都会改变。
关于椭圆偏振光其反射光的振幅反射系数之比为
(5)式中tanψ为入射面内偏振的电矢量与垂直于入射面内偏振的电矢量的相对振幅衰减,△为反射引起的两个电矢量间的相位差。
有(3)~(5)式运算可得
由(6)式和(7)式可知,在某一波长的入射光实验条件下,测出ψ,△和入射角θ就能够求出该波长下材料的折射率和消光系数。
再由
(1)式,
(2)式即可得出被测样品在相应波长的介电常数的实部ε1和虚部ε2。
3.2GaN薄膜的外延生长和原位SE光谱分析
利用EIKORF-MBE系统配备的椭偏光谱仪测量基于GaN薄膜生长过程中在线原位SE数据。
在有效界面近似条件下,通过选用适当模型采纳FastDyn数据处理运算程序进行数据拟合,获得了MBE生长GaN薄膜的差不多光学常数谱。
基于蓝宝石
常规和邻晶面衬底MBE生长GaN薄膜原位椭偏光谱实验数据,用色散差不多理论,分析外延层中应变能开释过程。
图1为常规蓝宝石衬底生长1号样品生长过程原位SE<ε1>图谱,图2为邻晶面蓝宝石衬底生长过程原位SE<ε1>图谱。
原位SE<ε1>图谱显示的是所生长样品复介电函数的实部<ε1>随生长时刻的进化过程,从蓝宝石衬底氮化开始,<ε1>逐步上升,见图中标识A。
大约生长几个单原子层后达到峰值,然后<ε1>开始下降,表明GaN缓冲层以层状和岛状混合模式即S-K模式开始生长。
氮化物薄膜与蓝宝石衬底的晶格常数失配,在外延缓冲层中积存应变能。
当应变能开释时,在沉积物与界面处的高能量激发岛形成。
<ε1>的下降标志着外延GaN缓冲层在氮化的蓝宝石衬底上显现第一次应变能开释过程。
在那个S-K模式生长时期,所形成的岛尺度约几十个纳米;现在SE光谱的变化与缓冲层的厚度及粗糙度有关,较长的探测光波长达到峰值较晚。
如图中700nm和450nm的探测光ε1显现峰值比370nm的探测光的峰值滞后。
随着缓冲层的厚度增加和迁移增强外延(MEE)技术的应用缓冲层表面趋于光滑,SE谱急剧上升直到显现峰值,见图中B处;然后趋于平缓下降,缓冲层生长终止。
在缓冲层升温至750℃邻近,<ε1>急剧下降,如图中C处,这表明外延层显现第二次应变能开释过程。
随后700nm,450nm和370nm的3种探测波长的SE光谱中<ε1>急剧上升表明GaN外延层厚度的增加导致干涉效应波长为700nm和450nm的探测光随时刻显现周期性振荡。
而370nm波长探测光由于GaN外延层的带边吸取,使得370nm波长的探测光在生长约60min后,外延层厚度生长到约350nm时趋于平缓。
对比分析两种衬底生长GaN薄膜的原位SE光谱的变化规律,发觉两种衬底在氮化和缓冲层生长时都显现应变能开释弛豫过程;但两种衬底的两次应变能开释过程明显不同,专门是第二次应变能开释时。
常规蓝宝石衬底在缓冲层升温时不仅370nm探测光的<ε1>谱线未显现而且700nm,450nm探测波长的<ε1>谱线同步对应下降,其下降斜率远小于邻晶面衬底相应过程<ε1>谱线下降的斜率,见图中标示C处。
这可能确实是常规蓝宝石衬底MBE外延生长GaN薄膜显现较高位错密度的机制。
应变能开释不完全,使线位错缺陷弯曲,应变能的积存,显现岛状生长。
结果导致外延层形成丘状螺旋结构,引起表面粗糙。
这一估量能够从随后的外延层生长过程的SE图谱得到证实。
由图中<ε1>谱可见,从标示D开始邻晶面衬底外延层生长显现平均光滑的因厚度变化引起的干涉峰谷谱线。
而常规衬底的700nm,450nm干涉峰谷明显不对称和不平均,薄膜的光学质量较差。
通过原位真实时刻SE图谱分析发觉,在GaN薄膜外延生长过程中,显现两次应变能开释的过程。
第一次显现在缓冲层生长过程中,第二次显现在缓冲层升温过程中。
由于GaN与蓝宝石衬底的晶格失配,自组织的微晶结构通过倾斜或旋转变向开释应变能量。
在缓冲层的生长过程中,这些不同方向的微晶结合导致显现位错。
在缓冲层升温过程中,表面原子迁移和蒸发使线位错缺陷弯曲或消逝,显现第二次应变能开释过程,这一过程关于减少线位错至关重要。
比较两种衬底上生长GaN薄膜的SE图谱,能够认为常规蓝宝石衬底MBE外延生长GaN薄膜中较高的螺旋位错密度是在缓冲层应变能开释过程中产生的。
采纳邻晶面衬底可实现台
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