《基於疊層掩膜的III族氮化物的異質外延生長》是依託北京大學，由胡曉東擔任負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於疊層掩膜的III族氮化物的異質外延生長
- 項目負責人：胡曉東
- 項目類別：面上項目
- 依託單位：北京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
III族氮化物半導體材料是氮化物光電子和微電子器件研究和產業發展的基礎。GaN材料位錯密度高，晶體質量不佳，是制約GaN半導體領域發展的最基本瓶頸。本申請項目提出創新的疊層掩膜結構，強化位錯的阻擋和位錯的閉合兩種機制，以有效降低藍寶石襯底異質外延GaN材料的缺陷密度為目標，從理論和實驗上開展氮化物外延生長動力學與缺陷行為控制的研究。主要內容涉及生長過程中缺陷，特別是微管、穿透位錯和層錯的形成機理，外延應力的消除和控制的機制與手段、穿透位錯等缺陷的產生、增殖、相互作用及其湮沒的規律。在此基礎上著重進行襯底外延技術的探索和創新，發展一種獨創的、全新的晶體異質外延生長技術。本項目申請人及所領導的課題組近年來一直從事與該領域相關的研究工作，取得了一批富有特色的研究成果並積累了經驗。本項目的研究目標和內容均處於當前國際上GaN基半導體材料領域的前沿。
結題摘要
本項目圍繞降低GaN異質外延位錯密度這一核心難題，從理論和實驗上開展了氮化物外延生長動力學與缺陷行為控制的研究，發展了基於疊層掩膜結構的襯底技術和GaN異質外延技術，大幅度降低外延材料中的缺陷密度，實現了高質量GaN材料的異質外延生長。主要結果包括：提出和最佳化了疊層掩膜結構，發展了基於疊層掩膜結構的襯底技術和工藝；開展了基於掩膜襯底的MOCVD外延方法研究，確定了多次調製側向外延方法，使得生長過程與掩膜通道形狀相匹配，加速其合攏過程，生長出表面平整、高質量的GaN薄膜；對疊層掩膜襯底外延GaN薄膜的位錯演化機理進行了詳細的探究，確定了疊層掩膜的阻擋和彎曲效應是導致位錯密度大幅降低的主要原因；對利用該方法生長的GaN膜及多量子阱（MQWs）結構進行了顯微結構表征分析，證實其晶體質量較藍寶石襯底得到了顯著提升，尤其是翼區和視窗區均為高質量區域，位錯密度最低可降至105cm-2，比一般藍寶石外延低2-3個數量級；通過微區拉曼實驗，分析了掩膜不同區域的GaN薄膜的殘餘應變情況，發現疊層掩膜兼具釋放應變作用，能夠增強LED,LD等GaN基光學器件的量子阱有源區的發光效率；在疊層掩膜襯底上外延了MQWs結構，其內量子效率較藍寶石襯底外延提升了53%，發光強度則增強至2-3倍，輻射複合得到增強而非輻射複合得到抑制，證明了疊層掩膜襯底能夠有效的提升GaN薄膜質量，增強多量子阱器件的性能。總之，我們全面完成了本項目的研究任務和目標，所發展的獨創的、全新的晶體異質外延生長技術對氮化物光電子和微電子器件的研究和產業發展有重要意義。
