1 北京大学宽禁带半导体研究中心, 北京 100871
2 北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室, 北京 100871
3 教育部纳光电子前沿科学中心, 北京 100871
4 量子物质科学协同创新中心, 北京 100871
Si衬底因兼具大尺寸、低成本以及与现有CMOS工艺兼容等优势, 使Si衬底上GaN基射频(RF)电子材料和器件成为继功率电子器件之后下一个该领域关注的焦点。由于力学性质与低阻Si衬底不同, 高阻Si衬底上GaN基外延材料生长的应力控制和位错抑制问题仍然困难, 且严重的射频损耗问题限制着其在射频电子领域的应用。本文简要介绍了Si衬底上GaN基射频电子材料的研究现状和面临的挑战, 重点介绍了北京大学研究团队在高阻Si衬底上GaN基材料射频损耗的产生机理, 以及低位错密度、低射频损耗GaN的外延生长等方面的主要研究进展。最后对Si衬底上GaN基射频电子材料和器件的未来发展作了展望。
Si衬底上GaN 金属有机化合物化学气相沉积 应力 位错 射频损耗 GaN-on-Si MOCVD stress dislocation RF loss
华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510640
在Si(111)衬底上采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术外延生长GaN薄膜, 对外延生长所得GaN薄膜的晶体结构和表面形貌进行表征, 并研究SiNx插入层对GaN薄膜的晶体质量和表面形貌的影响。结果表明, 在Si衬底上生长GaN薄膜过程中引入SiNx插入层可使GaN薄膜的(10-12)面的X-射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值从974.01减小到602.01 arcsec; 表面凹坑等缺陷减少、表面平整度提高。可见, SiNx插入层对在Si衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。
Si衬底 GaN薄膜 SiNx插入层 Si substrate GaN films SiNx interlayer MOCVD MOCVD
1 南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心, 江西 南昌 330047
2 南昌大学 材料科学与工程学院, 江西 南昌 330031
利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在具有偏角(0°~0.9°)的Si(111)衬底上生长了GaN薄膜.采用高分辨X射线衍射(HRXRD)对Si衬底的偏角进行了精确的测量,利用HRXRD、原子力显微镜(AFM)以及光致发光(PL)对外延薄膜的晶体质量、量子阱中In组分、表面形貌及光学特性进行了研究.结果表明,Si(111)衬底偏角对量子阱中的In组分、 GaN外延膜的表面形貌、晶体质量以及光学性能具有重大影响.为了获得高质量的GaN外延薄膜,衬底偏角必须控制在小于0.5°的范围内.超出该范围,GaN薄膜的晶体质量、表面形貌及光学性能都明显下降.
Si衬底 偏角 Si substrate miscut GaN GaN MOCVD MOCVD
1 北京工业大学电子信息与控制工程学院 光电子技术省部共建教育部重点实验室, 北京100124
2 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 江苏 苏州215123
采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同AlN缓冲层厚度的GaN样品, 研究了AlN缓冲层厚度对GaN外延层的应力、表面形貌和晶体质量的影响。研究结果表明: 厚度为15 nm的AlN缓冲层不仅可以有效抑制Si扩散, 而且还给GaN外延层提供了一个较大的压应力, 避免GaN薄膜出现裂纹。在该厚度AlN缓冲层上制备的GaN薄膜表面光亮、无裂纹, 受到的张应力为0.3 GPa, (0002)和(1012)面的高分辨X射线衍射摇摆曲线峰值半高宽分别为536 arcsec和594 arcsec, 原子力显微镜测试得到表面粗糙度为0.2 nm。
AlN缓冲层 Si衬底 张应力 AlN buffer layer GaN GaN Si substrate tension stress MOCVD MOCVD
1 北京工业大学 光电子技术省部共建教育部重点实验室, 北京100124
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米器件与应用重点实验室, 江苏 苏州215123
在Si(111)衬底上用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长了AlN和GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射、椭圆偏振光谱仪和原子力显微镜研究了AlN缓冲层生长时的载气(H2)流量变化对GaN外延层的影响。椭圆偏振仪测试表明: 相同生长时间内AlN的厚度随着H2流量的增加而增加, 即H2流量增加会导致AlN生长速率的提高。原子力显微镜测试表明: 随着H2流量的增加, AlN表面粗糙度也呈上升趋势。XRD测试表明: 随着AlN生长时的H2流量的增加, GaN的(0002)和(1012)峰值半宽增大, 即螺型穿透位错密度和刃型穿透位错密度增加。可能是由于AlN缓冲层的表面形貌较差, 导致GaN的晶体质量有所下降。实验结果表明: 采用较低的H2流量生长AlN缓冲层可以控制AlN的生长速率, 在一定程度上有助于提高GaN的晶体质量。
氮化镓(GaN) AlN缓冲层 H2载气 Si衬底 金属有机化学气相沉积 GaN AlN buffer H2 carrier gas Si substrate MOCVD
清华大学 电子工程系 清华信息科学与技术国家实验室(筹), 北京 100084
采用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)研究了Al金属插入层对Si(111)衬底上AlN薄膜材料生长的影响。结果证明, Al插入层可改善AlN外延层的晶体质量, 而且引入Al预扩散机制可消除外延表面的孔隙。同时, 采用AlN插入层预扩散有利于获得Al极性的AlN, 否则倾向于获得N极性的AlN。
Al插入层 Si衬底 PA-MBE PA-MBE AlN AlN Al interlayer Si substrate
华南理工大学 材料科学与工程学院, 发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510640
通过对比分析目前氮化物LED的三种主要衬底即蓝宝石、SiC与Si的技术特点, 指出了发展Si衬底LED的重要意义。详细介绍了目前国内外Si衬底LED的研究现状, 解析了在Si衬底上制备LED的多种新型技术, 主要包括以提高薄膜沉积质量为目的的缓冲层技术、激光脱离技术、图案掩模技术、阳极氧化铝技术, 以及以提高光提取率为宗旨的镜面结构技术和量子阱/量子点技术。这些新型技术与传统的MOCVD, HVPE, MBE等制备技术相结合, 在很大程度上克服了Si衬底的不足, 使Si衬底上氮化物LED展现出广阔的发展前景。
Si衬底 缓冲层 图案掩模技术 量子阱 LED LED Si substrates buffer layer patterned substrate MQWs.
南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心， 江西 南昌 330047
研制了4种不同表面钝化类型Si衬底GaN基绿光LED，分别标记为样品A、B、C、D。样品A无钝化层，样品B为台面SiON钝化，样品C为侧面SiON钝化，样品D为台面和侧面均钝化。将4种样品进行了常温60 mA(电流密度312 A/cm2)下168 h的加速老化，并对比了老化前后的I-V和光衰等特性。结果表明: 侧边的SiON钝化层可有效抑制有源区内非辐射复合缺陷的增加，从而有效降低器件老化后的漏电流和光衰。与台面上的SiON相比，侧边的SiON对钝化起到了决定性作用。
Si衬底 光衰 SiON SiON Si substrate GaN GaN luminous decay LED LED
1 南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心， 江西 南昌 330047
2 晶能光电(江西)有限公司， 江西 南昌 330029
在Si衬底GaN基蓝光LED芯片上生长了一层SiON钝化膜，使器件的光输出功率提高12%且有效降低了器件在老化过程中的光衰。对有、无钝化膜的样品进行性能比较，结果表明SiON钝化膜能有效隔离环氧树脂与高温芯片，缓解环氧树脂的老化变黄；又能部分弛豫环氧树脂对芯片的张应力，降低非辐射复合中心产生的几率；有效减小器件的侧壁漏电通道，降低器件的光衰和漏电流，提高器件的可靠性。
光电子学 Si衬底 光衰 增透膜
南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心, 江西 南昌 330047
采用电镀金属基板及湿法腐蚀衬底的方法将硅衬底上外延生长的GaN MQW LED薄膜转移至不同结构的金属基板, 通过高分辨X射线衍射(HRXRD)和光致发光(PL)研究了转移的GaN薄膜应力变化。研究发现：(1)转移至铜基板、铬基板、铜/镍/铜叠层基板等三种基板的GaN薄膜张应力均减小, 其中转移至铬基板的GaN薄膜张应力最小。(2)随着铬基板中铬主体层厚度的增加, 转移后的GaN薄膜应力不发生明显变化。
金属基板 Si衬底 薄膜 应力 metal substrate silicon substrate GaN GaN film strain
