用侧向外延生长法降低立方相GaN中的层错密度

　第23卷第10期　2002年10月

半　导　体　学　报

CHI NESE JOURNA L OF SE MIC ONDUCT ORS

V ol. 23,N o. 10Oct. , 2002

用侧向外延生长法降低立方相G a N 中的层错密度

沈晓明1,2　付　羿1　冯　淦1　张宝顺1　冯志宏1　杨　辉1

(1中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室, 北京　100083)

(2广西大学理学院物理系, 南宁　530004)

3

摘要:尝试用侧向外延(E LOG ) 方法来降低立方相G aN 中的层错密度. 侧向外延是在S iO 2/G aN/G aAs 图形衬底上进行的, 对生长所得的立方相G aN 外延层用扫描电子显微镜(SE M ) 和透射电子显微镜(TE M ) 进行了观察和分析,TE M 的平面像表明经过E LOG 方法生长后, 立方相G aN 外延层中的层错密度由侧向外延生长前的5×109cm -2降低至生长后的6×108cm -2. 双晶X 射线衍射(DCXRD ) 测量给出侧向外延前后外延层ω扫描(002) 衍射摇摆曲线的半高宽(FWH M ) 分别为33′和1718′, 表明晶体质量有了较大改善. 对立方相G aN 侧向外延过程中层错减少的机制进行了讨论.

关键词:立方相G aN ; M OVPE; 侧向外延; SE M ; TE M PACC :8110; 7280E; 6170; 0780

中图分类号:T N30412+3　　　文献标识码:A 　　　文章编号:025324177(2002) 1021093205

1　引言

近年来,G aN 基蓝紫光发光二极管(LE D ) 和激光二极管(LD ) 等器件的实用化, 迅速地推动了G aN 基材料在光电子领域的应用与研究[1,2]. 由于缺乏晶格匹配的衬底材料, 目前G aN 基材料一般是在蓝

α宝石(2Al 2O 3) (0001) 或G aAs (001) 面上进行异质外延, 前者生长所得为纤锌矿结构的六方相G aN , 后者生长所得为闪锌矿结构的立方相G aN. G aN 外延层与上述衬底之间晶格失配和热失配都很大, 六方相G aN 与α2Al 2O 3(0001) 衬底之间的晶格失配约为15%, 立方相G aN 与G aAs (001) 的晶格失配为20%.大失配导致了G aN 外延层在生长以及降温、退火过程中容易引入穿透位错、堆垛层错之类的晶格缺陷, 而高密度缺陷对激光器等器件的性能与使用寿命不利, 因此必须设法降低缺陷密度.

众所周知, 侧向外延(epitaxial lateral overgrowth ,

E LOG ) 或选区生长(selective area growth ,S AG ) 技术对降低六方相G aN 外延层中的位错密度非常有效, 较大地提高了六方相G aN 的晶体质量和器件性能. Nakamura 等人[3]利用侧向外延技术成功制备出寿命超过10000h 的G aN 蓝光激光器, 并在此基础上实现了器件的商品化. 现在侧向外延技术已经成为G aN 光电器件研制中重要的外延生长方法. 对G aN 侧向

外延过程中的位错行为和微观结构的深入研究[4,5], 对正确认识G aN 侧向外延过程中位错演变以及进一步改善G aN 外延材料的晶体质量提供了重要的指导. 六方相G aN 中的晶体缺陷主要是穿透位错. 在进行侧向外延时, 外延层中的穿透位错会发生90°转向后横向延伸, 当相邻窗口区侧向外延部分(即翼区) 相接合时, 一部分位错形成闭合的位错环, 加之掩膜层对其底下的G aN 外延层中位错的阻挡作用阻止了这一部分位错的传播和位错间的相互作用, 从而有效地降低了外延层中的位错密度. 有文献报道六方相G aN 生长中采用侧向外延生长法后, 位

3国家自然科学基金(批准号:69825107) ,NSFC 2RG C 联合基金(5001161953,N HK U028/00) 资助项目　沈晓明　男,1965年出生, 博士研究生, 目前从事G aN 材料与器件的研究.

　杨　辉　男,1961年出生, 研究员, 博士生导师, 目前从事半导体材料与器件的研究. 　2002204206收到,2002205217定稿

c 2002中国电子学会○

错密度能降低几个数量级甚至翼区G aN 接近无位

错[6].

目前G aN 侧向外延的研究工作主要集中在六方相G aN 的外延上, 关于立方相G aN 侧向外延的报道相对来说要少得多[7～9], 有关侧向外延对立方相G aN 的晶体质量的改善和对缺陷密度的影响方面的讨论显得不够, 立方相G aN 侧向外延过程中层错演变机制也未见报道. 本文尝试用侧向外延生长方法降低立方相G aN 中的层错密度, 在SiO 2/G aN/G aAs (001) 图形衬底上进行立方相G aN 的侧向外延,TE M 观察表明经过E LOG 生长后, 立方相G aN 外延层中的层错密度由侧向外延生长前的5×109cm -2降低至生长后的6×108cm -2, 我们对立方相G aN 侧向外延过程中层错减少的机制进行了讨论.

离子减薄, 形成对电子透明的薄区. TE M 平面样品的制备过程基本相同, 不过是从G aAs 衬底背面进行减薄的, 观察到的TE M 平面像反映的是样品表面附近的缺陷情况. TE M 平面像和截面像的观察是在Hitachi H 2800透射电子显微镜上进行的, 其加速电压为200kV. 此外我们还对侧向外延G aN 样品进行了DCXRD 测量, ω扫描(002) 衍射下其摇摆曲线的FWH M 为1718′.

3　结果与讨论

图1(a ) 和(b ) 分别是侧向外延立方相G aN 的SE M 平面像和截面像. 由图1(a ) 可以看出, 掩膜区(即图中的小孔) 没有G aN 在其上面直接形核生长, 表明G aN 在SiO 2上具有良好的形核选择性. 这是因为G aN 在SiO 2上属于异质形核,

形核能远大于在窗

2　实验

立方相G aN 侧向外延实验采用的图形衬底为SiO 2/G aN/G aAs (001) , 其制备过程如下:在G aAs (001) 衬底上利用低压(104Pa ) 金属有机物气相外延(LPM OVPE ) 法进行G aN 薄膜的常规两步法生长, G a 源和N 源分别为三乙基镓(TEG a ) 和NH 3, 以H 2为载气. 先在550℃左右生长低温缓冲层, 然后升温至850℃生长立方相G aN 本征外延层. 生长所得的非有

μ意掺杂n 型G aN 外延层的厚度为016m , 本底载流

子浓度约为1017cm -3, 其双晶X 射线衍射(DCXRD ) ω扫描摇摆曲线的半高宽(FWH M ) 为33′. 然后在G aN/G aAs 外延层上用溅射方法沉积50～60nm 厚的SiO 2薄膜, 经光刻、湿法腐蚀后形成SiO 2/G aN/G aAs 图形衬底. 我们在SiO 2薄膜上同时刻蚀出沿[110]

μ和[110]晶向的条形窗口, 窗口区的宽度为4m , 刻μ蚀过程中保留的SiO 2形成掩膜区, 掩膜区为8m ×

μ8m 的方块. 图形衬底经三氯乙烯、丙酮、无水乙醇

Ω) 清洗3～4遍并用氮气吹干或和去离子水(1812M

甩干机甩干后进M OVPE 反应室进行二次外延. 二次外延的生长温度为850℃, TEG a 流量和NH 3流量分别为60sccm 和56sccm , 生长时间为2h. 我们对侧向外延G aN 样品进行了SE M 和TE M 观察. SE M 观察所用的是J E O L 26301F 型扫描电子显微镜, 为了在解理时能获得平整的断面, 先对样品用金刚砂从G aAs 衬底背面作薄化处理. 用于TE M 截面像观察的样品采用常规制样方法制备, 先进行机械减薄再行Ar +

图1　侧向外延立方相G aN 的SE M 像　

(a ) 平面像; (b ) 截面像

Fig. 1　SE M micrographs of E LOG cubic G aN 　(a ) Plan 2view ; (b ) Cross 2section

口区的一次外延G aN 上的形核能, 从而可以实现在SiO 2/G aN/G aAs (001) 图形衬底上的选择性外延. 从图1(b ) SE M 截面像也可以看到G aN 在SiO 2掩膜区没有形核生长, 在它上面的G aN 是由窗口区的G aN 在二次外延时沿SiO 2表面横向生长形成的. 一般说来, 侧向外延是在窗口区外延生长的G aN 厚度超过

掩膜区SiO 2的厚度时开始的, 侧向外延生长一定时间后, 相邻窗口区中生长的G aN 会相互接合, 从而获得能完全覆盖SiO 2掩膜区的连续的G aN 外延层. 从图1可知, 本文研究的侧向外延立方相G aN 样品, 相邻窗口区的翼区部分尚未接合, 但从图1(b ) SE M 截面像可知, 与SiO 2薄膜接触的翼区宽度为

μ110～115m , 而G aN 上表面翼区宽度为115～μ210m , 本截面像反映的是(110) 断面的形貌特征, 上述尺寸说明平行于[110]晶向的条形窗口生长的外延层呈倒梯形[9].

为了解侧向外延对立方相G aN 外延层中缺陷密度的影响, 我们对样品进行了TE M 平面像和截面像的观察. 图2(a ) 和(b ) 为立方相G aN 的TE M 平面像, 其中图2(a ) 为侧向外延立方相G aN 上表面处的TE M 平面像,

作为比较我们同时给出了常规两步法

于相互作用造成一部分层错湮灭, 同时在外延层中留下不可动压杆位错, 当然相互交截的层错中有一部分可以互不影响继续向上延伸,

这由层错交截处

图3　侧向外延立方相G aN 层错减少机制示意图

Fig. 3　Schematic of reduction mechanism of stack 2ing faults during E LOGof cubic G

aN

图2　立方相G aN 的TE M 平面像　(a ) 侧向外延生长; (b ) 常规两步法生长

Fig. 2　Plan 2view TE M images of cubic G aN

　(a ) E LOG; (b ) C onventional growth

图4　立方相G aN 的TE M 截面像　(a ) 窗口区; (b ) 掩膜区

Fig. 4　Cross 2sectional TE M images of E LOG cubic G aN 　(a ) Window area ; (b ) Mask area

生长的G aN 外延层靠近上表面的TE M 平面像, 如图2(b ) 所示. 可以看出, 经过侧向外延后立方相G aN 外延层中的层错密度明显降低, 由侧向外延前的5×109cm -2降至侧向外延后的6×108cm -2, 下降了近一个数量级. 对于层错密度的下降可以这样来理解, 一方面, 随着外延层厚度的增加, 外延层中的层错由

参与反应的不全位错的性质而定[10]. 另一方面, 在侧向外延过程中, 不仅可以沿[001]晶向垂直生长, 而且还可以进行横向生长, 生长的自由表面积显然增加, 应力有可能会减小, 相应地用于释放应力的层错也会有所减少. 此外, 由于侧向外延中采用的是图形衬底, SiO 2掩膜阻挡了一次外延层中的大量层

错, 使得这一部分层错不能继续

向上延伸. 总之, 由于上述这些因素的存在, 侧向外延可以有效地降低二次外延G aN 中的层错密度. 图3为上述层错减少机制的示意图, 图中虚线之间为层错高密度区. 图4是侧向外延立方相G aN 的TE M 截面像, 从图4(a ) 中可以看出, 由窗口区生长出的G aN (包括翼区部分) 层错数量明显减少. 图4(b ) 给出了侧向外延样品SiO 2掩膜区附近的TE M 截面像, 图中可以清楚看到SiO 2掩膜有效地阻止了一次外延G aN 层中层错的继续延伸. 一般说来, 由于外延层中缺陷密度的降低, 外延层的晶体质量也会有所改善. 我们对E LOG 样品进行了双晶X 射线衍射ω扫描(002) 衍射的测量, 其摇摆曲线的半高宽为1718′, 这一数值比本实验中所用的一次外延G aN 的半高宽33′小了很多, 说明我们所采用的侧向外延不仅降低了立方相G aN 中的层错密度, 而且切实改善了外延层的晶体质量.

参考文献

[1]　Nakamura S ,Chichibu S F. Introduction to nitride semiconductor blue

lasers and light emitting diodes. London and New Y ork :T aylor &Francis ,2000

[2]　Y ang H , Zheng L X ,Li J B ,et al. Cubic 2phase G aN light 2emitting

diode. Appl Phys Lett ,1999,74(17) :2498

[3]　Nakamura S ,Senoh M ,Nagahama S ,et al. InG aN/G aNAlG aN 2based

laser diodes with m odulation 2doped strain 2layer superlattices grown on an epitaxially laterally overgrown G aN substrate. Appl Phys Lett , 1998,72:211

[4]　H oribuchi K, K uwano N ,Oki K,et al. Behavior of threading disloca 2

tions in S AG 2G aN grown by M OVPE. Phys S tat S ol (a ) ,2000,180:171

[5]　Liliental 2W eber Z , Cherns D. M icrostructure of laterally overgrown

G aN layers.J Appl Phys ,2001,89:7833

[6]　Zheleva T S ,Nam O H ,Bremser M D ,et al. Dislocation density re 2

duction via lateral epitaxy in selectively grown G aN structure. Appl Phys Lett ,1997,71:2472

[7]　Wu J , K udo M ,Nagayama A ,et al. Selective growth of cubic G aN on

patterned G aAs (100) substrates by metalorganic vapor phase epitaxy. Phys S tat S ol (a ) ,1999,176:557

[8]　Suda J , K urobe T ,Nakamura S ,et al. Selective area growth of cubic

3C 2S iC (001) by metalorganic m olecular beam epitaxy. Jpn J Appl Phys ,2000,39:L1081

[9]　Fu Y, Y ang H ,Zhao D G,et al. E pitaxial lateral overgrowth of cubic

G aN by metalorganic chemical vapor deposition. J Cryst G rowth , 2001,225:45

) . Beijing :Science[10]　Y ang S H. Introduction to crystal dislocations (Ⅰ

Press ,1998(in Chinese ) [杨顺华. 晶体位错理论基础(第一卷) .

4　结论

综上所述, 我们发现用侧向外延方法可以有效

降低立方相G aN 中的层错密度. 对在SiO 2/G aN/G aAs 图形衬底上生长所得的立方相G aN 外延层, 由TE M 观察可知经过E LOG 方法生长后, 立方相G aN 外延层中的层错密度由原来的5×109cm -2降低至6×108cm -2. XRD 测量显示侧向外延前后外延层的半高宽分别为33′和1718′, 表明晶体质量有了很大改善. 层错相互作用和SiO 2掩膜层对层错的有效阻挡是层错减少的主要原因.

北京:科学出版社,1998]

R eduction of Stacking F ault Density in Cubic G a N Epilayers

via Epitaxial Lateral Overgrow th 3

Shen X iaoming 1,2, Fu Y i 1, Feng G an 1, Zhang Baoshun 1, Feng Zhihong 1and Y ang Hui 1

(1State K ey Laboratory on Integrated Optoelectronics , Institute o f Semiconductors ,

The Chinese Academy o f Sciences , Beijing 　100083, China )

(2Department o f Physics , School o f Mathematics and Physics , Guangxi University , Nanning 　530004, China )

Abstract :E pitaxial lateral overgrown (E LOG ) cubic G aN (c 2G aN ) on patterned S iO 2/G aN/G aAs (001) substrates by metalorganic vapor

phase epitaxy (M OVPE ) is investigated using transmission electron microscope (TE M ) and scanning electron microscope (SE M ) . TE M obser 2vations show a substantial reduction of stacking fault density in E LOG c 2G aN ,compared to that in conventional tw o 2step grown c 2G aN. The re 2duction mechanism of stacking faults in cubic G aN layers via lateral epitaxy is discussed. K ey w ords :cubic 2G aN ; M OVPE; E LOG; SE M ; TE M PACC :8110; 7280E; 6170; 0780Article I D :025324177(2002) 1021093205

3Project supported by National Natural Science F oundation of China (N o. 69825107) ,NSFC 2RG C Joint Program (N os. NSFC5001161953and N HK U028/00) 　Shen X iaoming 　male ,was born in 1965,PhD candidate. He is engaged in research on G aN materials and related devices. 　Y ang Hui 　male ,was born in 1961,profess or. He is engaged in research on semiconductor materials and devices. 　Received 6April 2002,revised manuscript received 17M ay 2002

c ○2002The Chinese Institute of E lectronics