MBE生长的GaN的物性

郑显通，苑进社，李 瑶，刘 帆

(重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047)

近年来，作为第3代半导体的III－V族氮化物(尤其是GaN)，由于具有较宽的直接带隙、强化学键、耐高温、高热导率，抗腐蚀(几乎不被任何酸腐蚀)等优良性能，使之成为制造短波长高亮度发光器件、高温晶体管、高功率晶体管和紫外光探测器等的理想材料［1－3］。正是由于GaN在科学研究和实际应用方面的重要意义，使GaN成为当前半导体科学技术领域国际性的研究热点。GaN室温下具有3.39 eV的宽直接带隙，并拥有十分优异的化学和物理稳定性，材料制备技术也相对成熟，是非常令人感兴趣的材料［4］。因其适宜的禁带宽度和直接型能带结构，使得这一新材料十分适合于发展可见光区短波段和紫外波段的光电器件。1993年日本的中村修二研发出了蓝光发光二极管(LED)，之后又研发了紫外光电探测器［5］。同时，它是制备恶劣环境下使用的特种器件的优选材料，如用于发展高温器件、抗辐射器件以及手机通讯中的大功率器件等［6－7］。GaN的制备方法主要有氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化合物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。其中HVPE和MOCVD因能够实现大面积、均匀、多片一次生长，符合最终产业化的发展要求而得到广泛重视。MBE生长速率相对较低，所以可以精确地控制薄膜的膜厚、组分和掺杂，对GaN的研究具有重大意义。

1 实验

本实验采用的GaN样品是用MBE方法生长的。首先用反射高能电子衍射(RHEED)、原子力显微镜(AFM)对样品的表面形貌进行分析，样品质量检测采用的是高分辨率X光衍射(XRD)，室温光致发光(PL)的激光源采用325nm的He－Cd激光线。发射光经光栅单色仪，经光电倍增管接收后，由计算机采样收集数据。样品电学性质的研究采用范德堡霍尔(Hall)测量技术在室温下进行。

2 结果分析

图1是样品生长后的RHEED图案，晶面分别是(11－20)面和(10－10)面。由于电子只与样品的表面几层原子相互作用，所以材料可以等效为二维平面材料。由这2幅图可以看出，虽然在(11－20)面虽中间可以看到有1个小小的圆斑，但总体上还是一个清晰的明亮条纹，而(10－10)面中间的亮斑已不是明显的条纹状，呈菱形，这说明本次实验的样品在原子量级上较为平整，但在较大范围内并不平。图2也说明了这一点。

图1 GaN(11－20)面和(10－10)面RHEED衍射图

图 2 是样品在 5 μm × 5 μm，3 μm × 3 μm，1 μm×1 μm的扫描范围内的AFM表面形貌，图2(a)中有许多高度密集的呈丘壑状的岛状结构，它的表面起伏均方根大小为12.1 nm。细扫到3 μm ×3 μm，1 μm ×1 μm 的范围后发现，在图 2(a)、(b)中表面形貌并没有被晶粒结构所占据，看不到晶粒结构上台阶状的表面形貌，均方根分别为11.67 nm和10.85 nm。正如之前RHEED分析的一样，表面平整度在大范围尺度并不是很平，呈现出三维的岛状生长模式。

图2 GaN的AFM表面形貌

图3是GaN样品(002)面和(102)面的摇摆曲线，黑色实线为实验测得的数据曲线，对这条曲线进行洛伦兹拟合，拟合公式为

其中:W为半高全宽FWHM;Xc为峰值最大值对应的X值。拟合后的曲线为虚线。经过拟合计算得到:(002)面的半高宽为569 s，(102)的半高宽为1512 s，(002)半高宽反映外延层的螺位错密度，(102)半高宽反映的是穿透位错密度［8］。根据公式［9］:

其中:β为XRD摇摆曲线半高宽;b为伯格斯矢量长度;bs=0.5185 nm;bs=0.3189 nm［10］。

图3 GaN高分辨率X射线衍射摇摆曲线

经过计算，由表1可看到:样品的螺位错密度为1.2 ×109，刃位错密度为 2.2 ×1010。刃位错密度比螺位错密度大1个数量级，表明样品中的位错以刃位错为主，这也可以从RHEED上面反映出来。由图1可明显地发现:(10－10)面要比(11－20)面粗糙很多，这说明(10－10)面的晶体质量并不好，要比(11－20)面差一些，而(10－10)对应的是样品的刃位错，(11－20)对应的是样品的螺位错，这与XRD测量得到的结果是一致的。

表1 样品的位错密度

样品的电学性质Hall测量结果如表2所示。

表2 样品的迁移率和电子浓度

由表2可以看到:样品迁移率为129 cm2/v·s，与MOCVD生长的样品相比并不高，但是样品的载流子浓度只有2.421×1014cm－3，要比 MOCVD方法生长的GaN低很多，这是因为MOCVD生长时真空度不是很高，引入了很多杂质，而这部分杂质或者缺陷(如氢原子、氮空位等)通常都是起施主杂质的作用，向导带提供电子，导致本征载流子浓度就很高，而MBE是高真空系统，大大减小了杂质对样品造成的影响，杂质向导带提供的电子减少，结果必然是背景浓度降低。至于较低的迁移率，这是因为样品的位错密度很高，位错缺陷形成了散射中心，降低了电子的迁移率。

图4为样品的PL谱，激光源采用的是325 nm的He－Cd激光线，发射光经光栅单色仪，由光电倍增管接收后，通过计算机采样收集数据。在图中可以看到明显的带边峰，对应的波长为362 nm，这是导带到价带跃迁发射的。图中并没有看到明显的黄带和蓝带发光，细看450 nm以后的PL谱可以看到微弱的黄带，但是比带边峰要弱1～2个数量级。

图4 GaN在室温325纳米He－Cd激光器的PL谱

3 结束语

首先研究了MBE生长的GaN的表面形貌，发现表面并不平整，(10－10)面比(11－20)面差一些。然后XRD表征发现，螺位错密度要比刃位错密度低1个数量级。Hall测量表明迁移率很低，这是由于晶体质量较差，位错缺陷较多，形成了较多的散射中心，降低了迁移率，但是由于高真空生长，引入的杂质较少，所以背景浓度低很多，PL谱可以看到明显的带边发射峰。

［1］Nakamura S，Senoh M.The Blue Laser Diode［M］.Berlin:Springer-Verlag，1997.

［2］Nakamura S，Mukait，Senoh M.Candela-class high-brightness InGaN/AlG aN double heterostructure blue-light-emitting diodes［J］.Appl Phys Lett，1994，64(17):1687－1689.

［3］Nakamura S，Senoh M，Iwasa N，et al.High-brightness In-GaN blue，green，and yellow light-emitting diodes with quantum well structures［J］.Jpn J Appl Phys，1995，34(2):797－799.

［4］Figge S，Bottcher T.Einfeldt S 2000 J［J］.Crystal Growth，2004，221:262 －266.

［5］Nakamura S.The roles of structural imperfection in InGaN-based blue light-emitting diodes and laser diodes［J］.Science，1998，281:956.

［6］Chini A，Coffie R，Meneghesso G，et al.2.1A/m m Current Density AIGaN/GaN HEM T［J］.Electron Lett，2003 ，39:382.

［7］Youn D H，Lee J H，Kumar V，et al.High Power0.25lxm Gate GaN HEM Ts on Sapphire with Power Density4.2W/ram at 10 GHz［J］.Electron Lett，2003，39:339.

［8］Sarula，ZHAO Fengqi.Influence of Magnetic Field to Bound Polaron in Nitride Parabolic Quantum Well［J］.RESEARCH ＆ PROGRESS OF SSE，2008，28(3):325 －329.

［9］Zhao F Q，Gong J.Energy of a Polaron in a wurtzite nitride finite parabolic quantum well［J］.Chin Phys Lett，2007，24(5):1327－1330.

［10］Kyutt R N，Shcheglov M P，Ratnikov V V，et al.Anisotropy of elastic strains and specific features o f the defect structure o f a plane GaN epitaxial films grown on r-plane sapphire［J］.Physics of the Solid State，2009，51(9):1789－1795.

［11］王水力，朱俊，郝兰众，等.Al2O3/AlGaN/GaN MOSH 结构的制备和性能研究［J］.压电与声光，2011(4):475－477.

［12］童杏林，罗梦泽，姜德生，等.GaN薄膜制备及脉冲激光沉积法的研究进展［J］.激光杂志，2006(1):5－7.