“ 氮化镓基半导体材料与器件” 年度研究工作进展

1. “氮化镓基半导体材料与器件” 年度研究工作进展 氮化镓基半导体材料与器件课题组

2. 一 课题组本年度的在研课题及任务 1 国家“863”计划课题“氮化镓基激光器” 2 国家“863”计划课题“氮化镓基紫外探测器” 3 国家“863”计划课题“Si上氮化镓基LED研究” 4 国家军事预研项目“氮化镓基紫外探测器材 料生长” 5 中科院创新项目“氮化镓基紫外探测器列阵”

3. 6 军事预研项目“高温大功率电子器件用碳化硅材料的研究” 7 国家自然科学基金“氮化镓基半导体激光器的材料生长与器件工艺研究” 8 国家杰出青年基金“半导体材料与器件之间关系研究” 9 “氮化镓基蓝绿光LED产业化”技术转让

4. 二 本年度研究工作进展 1 与深圳方大集团的技术和工作人员的紧密合作,经过组内人员一年多的共同努力 “氮化镓基蓝、绿光LED产业化”技术转让项目于2002年6月顺利通过了双方领导和专家组织的验收, 目前生产线运转正常，产品批量上市。

5. 此项目顺利通过验收，标志着我国具有了自主规模化生产氮化镓蓝绿光LED的能力，我们所也成为在国内同类项目中率先实现产业化技术转移的研究单位。此项目顺利通过验收，标志着我国具有了自主规模化生产氮化镓蓝绿光LED的能力，我们所也成为在国内同类项目中率先实现产业化技术转移的研究单位。 积累了产业化的经验，提升了科研能力。 今后将继续为深圳方大的氮化镓基蓝绿光LED生产线提供技术支持和服务。

6. 2 Si衬底上氮化镓基LED 1)研究意义 Si衬底GaN基 LED及LD等器件便于集成。 低成本、高质量和大面积的Si衬底。 Si基GaN器件制作较SiC和Al2O3衬底器件简 单，成本低。

7. Si衬底生长GaN基材料取向为： GaN(0001)[2-1-10]//Si(111)[02-2], 因此，Si衬底生长的GaN基外延片易解理，更适合大批量生产。 Si衬底优越的散热性能，在大面积集成、显示方面的应用将显示出更多的优越性

8. 2）存在的主要问题 Si衬底上外延GaN，其晶格失配为17% Si衬底和GaN之间56%的热膨胀系数差异导致较大的热失配，从而产生微裂。 Si扩散及SiNx形成问题

9. 3）采用的研究方案 采用高温AlN缓冲层技术，抑制Si扩散，缓解晶格失配。 采用插入层技术，解决由于热失配导致的GaN层微裂问题。 可协变衬底技术，解决晶格失配和热失配问题。

10. 4）取得的研究成果 优化高温AlN最佳生长条件，实现无微裂MOCVD生长GaN的临界厚度大于 500 nm，和低温AlN缓冲层方法相当。当AlN缓冲层厚度在30nm左右时，既有效的抑制Si扩散，又使厚层GaN微裂密度最低，质量最好，并且RMS小于1nm

11. 采用插入层技术实现1.3µm以上无微裂GaN层生长并研究了其应力释放机理，室温PL谱FWHM小于3nm。采用插入层技术实现1.3µm以上无微裂GaN层生长并研究了其应力释放机理，室温PL谱FWHM小于3nm。 插入SiN层技术，进一步减少位错密度，实现X光扫描FWHM小于720s（GaN厚度为850 nm）。 目前我们的材料研究水平处于世界前列。

12. 样品：S716A01，生长厚度2.3m, FWHM(ω)=490 arcsec

13. 典型样品PL谱半高宽为43 Å

14. 3 氮化镓基激光器 1）通过计算机模拟计算和分析确定了分别限制异质结结构的激光器结构的 各层基本参数；

15. P-electrode P-GaN P-AlGaN n-electrode InGaNMQW n-AlGaN n-AlInGaN SiO2 GaN Al2O3 substrate

16. 2） 利用现有的MOCVD设备研究了GaN侧向外延技术，基本上掌握了侧向外延中生长参数对材料特性影响的一般性规律，侧向外延掩膜区的缺陷密度大幅度降低，目前已经达到107/cm2量级, 在侧向外延技术方面我们还申请了一项国家发明专利，该专利解决了侧向外延技术中的晶向倾斜问题和常规外延外延生长中相邻GaN条合并的困难，可获得平整表面的GaN样品

17. SEM表面形貌像 －－解决了相邻GaN条合并时的困难，可获得平整的表面 传统横向外延工艺 新型横向外延工艺

18. Tilt的DC-XRD观察 －－消除了晶面倾斜的产生 常规横向生长GaN的双晶X射线衍射w扫描曲线。（a）掩模条垂直衍射平面；（b）掩模条平行衍射平面

19. 新型横向生长工艺的GaN双晶X射线衍射w扫描曲线。（a）掩模条垂直衍射平面；（b）掩模条平行衍射平面新型横向生长工艺的GaN双晶X射线衍射w扫描曲线。（a）掩模条垂直衍射平面；（b）掩模条平行衍射平面

20. 表面腐蚀坑密度的观察 －－采用新型横向外延工艺同样可以大幅度降低TD密度 Mask region Window region GaN grown by the two-step method 2 mm

21. 3）自行设计组装了MOCVD设备在位监测系统，对GaN基材料的生长规律和过程有了更深刻的理解，进一步优化了N型GaN、P型GaN和AlGaN的生长参数，材料质量得到了进一步的提高3）自行设计组装了MOCVD设备在位监测系统，对GaN基材料的生长规律和过程有了更深刻的理解，进一步优化了N型GaN、P型GaN和AlGaN的生长参数，材料质量得到了进一步的提高

22. GaN生长过程中的反射率监测曲线

23. 4）开展了AlInGaN及AlGaN/GaN量子阱研究工作,取得了比较有意义的结果，初步掌握了用AlInGaN控制带宽和晶格匹配的材料生长工艺和设计方法，为量子阱激光器的设计和生长设计和制作打下了基础;4）开展了AlInGaN及AlGaN/GaN量子阱研究工作,取得了比较有意义的结果，初步掌握了用AlInGaN控制带宽和晶格匹配的材料生长工艺和设计方法，为量子阱激光器的设计和生长设计和制作打下了基础;

24. AlGaN材料的X射线双晶衍射（扫描）图

25. AlGaN/GaN量子阱的X射线双晶衍射（扫描）图

26. 2- x-ray diffraction of AlInGaN epilayers showing a range of lattice parameters compared with GaN

27. Room-temperature photoluminescene from AlInGaN

28. 激光器腔面示意图

29. 4、氮化镓基紫外探测器的研究 1) 对氮化镓基紫外探测器的结构进行了优化设计，并对现有的器件测试结果进行了模拟和分析。 2）研究并掌握了了本征氮化镓基材料的肖特基接触和欧姆接触工艺。

30. 3）建立和完善了氮化镓基紫外探测器的测试系统3）建立和完善了氮化镓基紫外探测器的测试系统 紫外光探测器的光响应测试系统

31. 4） 制作出 MSM GaN 紫外探测器，其特性为： 10V 电压时暗电流7.6 pA； 50V 电压时暗电流94.6 pA；100V 电压时暗电流0.46 nA。 外加100V电压时没有击穿的迹象。在15V 偏压下,暗电流为11.4pA, 响应度在365nm 波长处达到了0.166 A/W，相应外量子效率为56% ，截止波长为365nm-375 nm。

32. MSM GaN 紫外探测器暗电流特性曲线

33. 15 V偏压下MSM响应度曲线： 图3 MSM GaN 紫外探测器在15 V偏压下光谱响应曲线

34. Ni/Au Ni/Au Undoped GaN Sapphire Substrate 试制的MSM GaN 探测器结构示意图 试制的MSM器件结构

35. 叉指式电极的SEM图

36. 5） 制作了垂直结构的GaN基肖特基紫外探测器。在3 V偏压下，暗电流为5.6nA,相应的暗电流密度为70 nA/mm2。

37. 肖特基结型GaN 探测器器件结构

38. 5、完成了新型MOCVD设备的选购任 务，设备现在正在安装调试，春节后 完成安装调试，投入科研工作中。

39. 6 学术交流情况 2人次参加国际学术交流会议 8人次参加国内学术交流会议 2人次赴香港大学开展合作研究

40. 7 研究生培养情况 毕业博士研究生2人，硕士研究生2人 在读博士、硕士研究生12人

41. 8发表论文和专利申请 发表论文10余篇，申请国家发明专利一项 1．“Structural Characterization of Epitaxial Lateral Overgrown GaN on patterned GaN/GaAs(001) substrates”, J. of Crystal Growth,246(1/2), 69-72 (2002) 2．“用侧向外延生长法降低立方相GaN中的层错密度”, 半导体学报，23(10), 1093-1097(2002) 3． “GaN/GaAs(001)与GaN/Al2O3(0001)外延层光辅助湿法腐蚀行为的比较”, 半导体学报，23(8), 881~885(2002) 4．“Etching behavior of GaN/GaAs(001) epilayers grown by MOVPE”, Chinese Journal of Semiconductors,23(7), 707~712(2002) 5 “Investigation on the origin of crystallographic tilt in lateral epitaxial overgrown GaN using selective etching”, J. of Crystal Growth, 240, 368 (2002)

42. 6 “Mechanisms of the sidewall facet evolution in lateral epitaxial overgrowth of GaN by MOCVD”, J. Phys. D: Appl. Phys., 35, 2731 (2002) 7 “crystallographic tilt in GaN layers grown by epitaxial lateral overgrowth”, Sciences in China A, 45, 1461 (2002) 8 “GaN横向外延中晶面倾斜的形成机制”, 中国科学A辑, 32, 737 (2002) 9“横向外延GaN结晶质量的同步辐射研究“, 核技术, 25, 770 (2002) 10 “Thermal annealing behaviour of Ni/Au on N-GaN Schottky contacts” J. Phys. D: Appl. Phys., 35, 1-4 (2002)

43. 9 致谢 感谢一年来工艺中心领导的关心和支持 感谢吴荣汉研究员在探测器方面的有益的建议和讨论以及提供了氮化镓基蓝光外延片 感谢王良臣研究员在器件工艺方面有益的指导和讨论