JPhysD编辑优选:一种新颖的GaN基材料低温外延技术及器件验证
本篇研究来自清华大学罗毅课题组。为了降低GaN基材料外延生长温度,课题组提出了一种感应耦合等离子体辅助的金属有机化学气相沉积(ICP-MOCVD)技术,在低温(580℃)下得到了GaN结晶薄膜并通过器件制备验证了其性能。 文章介绍 Thin film transistors and metal-semiconductor-metal photodetectors based on GaN thin films grown by inductively coupled plasma metalorganic chemical vapor deposition JiadongYu(余佳东), Zixuan Zhang, Yi Luo(罗毅), Jian Wang, Lai Wang(汪莱), Xiang Li, Zhibiao Hao, Changzheng Sun, Yanjun Han, Bing Xiong, Hongtao Li 通讯作者: 罗毅,清华大学 研究背景: GaN基半导体材料作为一类直接跃迁型宽禁带半导体材料,具有优良的光电特性,已经被广泛应用于光电子器件和电子器件的制备。在相对便宜的大尺寸的非晶衬底上直接外延GaN基薄膜有望降低器件成本,并且对制备柔性(光)电子器件和大面积电子器件也有着重要意义。目前产业界制备 GaN基外延片通常依靠传统的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在单晶衬底上外延得到,其生长温度通常较高(>800℃)。然而非晶衬底(如玻璃和聚合物)的软化温度通常较低(<600℃),无法耐受较高的传统生长温度。为了降低GaN基材料外延生长温度,课题组提出了一种感应耦合等离子体辅助的金属有机化学气相沉积(ICP-MOCVD)技术,在低温(580℃)下得到了GaN结晶薄膜并通过器件制备验证了其性能。 研究内容: ICP-MOCVD设备采用的是易于产生高密度大面积均匀等离子体的ICP对V族前驱体(N2、NH3或两者的混合气)进行裂解,同时采用了沉积设备中常用的喷淋头结构作为带电粒子过滤装置,如图1所示。在有效降低生长的温度的同时,一方面能够获得大面积均匀的流场,另一方面可以尽量避免预反应并使高能带电粒子得到有效过滤,减少了对衬底表面的破坏性轰击。最终到达衬底表面参与反应的主要是N2(A3Σu+)等亚稳态中性活性粒子。 图1 ICP-MOCVD的结构示意图 在580℃下于平片蓝宝石衬底上生长了300nm厚的GaN薄膜,XRD的(002)面和(102)面的FWHM分别为0.35°和0.64°,在1×1μm2范围内的AFM均方根粗糙度只有0.912nm,在可见光波段的光学透过率能达到77-98%,显示出了较好的透过特性及较低的与光吸收相关的缺陷浓度,如图2所示。...