掺硅氮化镓材料的MOVPE生长及其性质研究.pdf

第20卷第7期半导体学报Vol.20,No.7
1999年7月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJuly,1999

掺硅氮化镓材料的MOVPE生长
及其性质研究3

刘祥林汪连山陆大成汪度王晓晖林兰英

(中国科学院半导体材料科学实验室北京100083)

摘要研究了用金属有机物气相外延(MOVPE)方法在蓝宝石衬底上生长掺硅氮化镓的生长方
法.发现了在硅烷掺杂剂流量较高的情况下,氮化镓的电子浓度趋于饱和现象.研究了掺硅氮化
镓的电学、光学、结晶学以及表面形貌等物理性质.

PACC:7220F,7855,8110B,8115H

1引言

氮化镓(GaN)在室温下具有3139eV的宽直接带隙材料[1],是制作蓝色至紫外发光二
极管和激光器非常有用的光电子材料之一.对于制作半导体器件所需材料,必须能够具有可
控和能重复的N型和P型掺杂.MOVPE生长掺硅GaN已经有很多报道.所用的掺杂剂分
[2,3][4][5]
别为硅烷(SiH4),乙硅烷(Si2H6)和四乙基硅(TeESi或(C2H5)4Si).为了能使GaN材

料与金属电极有更好的欧姆接触,高电子浓度是必要的.我们用MOVPE方法,用H2稀释

的SiH4为掺杂剂,在蓝宝石上外延出高电子浓度的N型GaN材料.电子浓度在室温下达到
117×1020cm-3.首次发现GaN的硅掺杂存在电子浓度饱和现象.

2实验方法

我们用自制水平常压MOVPE设备生长GaN.三甲基镓(TMGa),氨气(NH3)和SiH4

(用H2冲稀,浓度为1570ppm)分别用作镓源、氮源和硅掺杂剂.经钯管纯化的H2作TMGa
的载气,流量为3SLM(标准升每分钟).TMGa的摩尔流量为25Lmolömin(微摩尔每分钟).

NH3流量为3SLM.为了避免源之间的气相寄生反应,NH3和TMGa在反应室入口处才混

合.衬底按顺序用有机溶液去油,用热H2SO4∶H3PO4=3∶1混合液腐蚀,去离子水冲洗,在
空气中自然凉干.有关衬底清洗和化学抛光的详细过程另有报道[6].衬底入炉后,先在

3国家“863”高技术计划材料领域资助项目
刘祥林男,1965年出生,助理研究员,在职博士生,从事Ë2Í族材料的MOVPE生长研究.目前主要从事MOVPE
生长GaN及蓝光LED的研究
汪连山男,1963年出生,工程师,博士生,从事MOVPE生长GaN及蓝光LED的研究
1998203202收稿,1998205224定稿
7期刘祥林等:掺硅氮化镓材料的MOVPE生长及其性质研究535

1120℃H2气氛下烘烤15min以除去表面粘污,在NH3öH2混合气氛下表面氮化3min,在
510℃生长约20nm的低温缓冲层,然后按每分钟50℃的升温速率升温至1050℃,同时退
火.当温度稳定在1050℃后,先生长约100nm未掺硅的GaN,然后生长2h掺硅GaN.样品
的厚度约4Lm.用相干像称显微镜测量样品的表面形貌;用X射线双晶衍射测量样品的结
晶学质量,用VanderPauw方法测量样品的室温电子迁移率和电子浓度,测量时通过样品
的电流为1mA,磁场强度为011T;用二次离子质谱(SIMS)分析样品中的硅含量.为了减少
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N2的干扰造成实验误差,测量硅的同位素Si.用光致发光谱(PL)测量样品的光学性质,激
光源为325nm的He2Cd激光器.

3结果和讨论

图1(见图版É)是样品的表面形貌照片.其中A是未掺硅样品,B和C是掺硅样品.生
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长样品B时SiH4的流量为0128Lmolömin,电子浓度为114×10cm.生长样品C时SiH4
的流量为0170Lmolömin,电子浓度为117×1020cm-3.肉眼观察,样品A无色透明,样品B
的表面呈雾状,样品C则不透明.根据Murakami等人所报道的结果[7],用AlN作缓冲层,
也能得到电子浓度为5×1018cm-3以上的N型GaN.但是,当电子浓度达到1×1018cm-3时,
表面将会龟裂;当电子浓度达到5×1018cm-3时,表面将出现V形槽.但是我们没有发现这
一现象.这或许是由于我们采用低温GaN而不是AlN作缓冲层造成的差异.Nakamura用
低温GaN作缓冲层生长掺硅GaN,在电子浓度小于2×1019cm-3的范围内也没有在表面发
现龟裂和V形槽这一现象[2].
图2为样品的电子迁移率和电子浓度
以及X射线双晶衍射的(0002)衍射峰的半

高宽(FWHM)随SiH4的流量的关系.未掺
杂GaN的室温背景电子浓度为311×1017
cm-3,迁移率为270cm2ö(V·s),FWHM为

6′.随着SiH4的流量增加,样品的电子迁移
率下降.这是因为:在GaN中掺Si后,一方
面增加了离化杂质浓