ZnO衬底上低温MOCVD生长GaN单晶薄膜关键科学问题研究

目前GaN材料系器件主要是在Al2O3衬底上生长制备的，而GaN和Al2O3晶格失配太大，是其更广泛应用的一大障碍。ZnO和GaN晶格常数接近，晶体结构相同，是外延GaN合适的衬底材料。但，通常GaN系材料MOCVD生长温度(1100℃)过高，引起ZnO衬底分解和腐蚀。所以要研究ZnO衬底上低温MOCVD生长GaN单晶薄膜的关键科学问题，主要解决N源低温离化率低的问题。为此，创新提出用我们发明的等离子增强和光照MOCVD，在ZnO衬底上(ZnO单晶和ZnO/Al2O3等)低温生长GaN系薄膜方案，研究通过等离子和光照离化NH3 和更易于离化的肼类等化合物为N源，以低温(600～700℃)MOCVD生长出晶体质量良好的GaN系材料，以进一步提高GaN系薄膜晶体质量和实现GaN系薄膜材料和Al2O3衬底的剥离。为我国今后研制GaN材料系大功率、高亮度发光管、激光器和大功率电学器件打下坚实基础。

目前GaN材料系器件主要是在Al2O3衬底上生长制备的，而GaN和Al2O3晶格失配太大，是其更广泛应用的一大障碍。ZnO和GaN晶格常数接近，晶体结构相同，是外延GaN合适的衬底材料。但，通常GaN系材料MOCVD生长温度(1100℃)过高，引起ZnO衬底分解和腐蚀。所以要研究ZnO衬底上低温MOCVD生长GaN单晶薄膜的关键科学问题。另外，为了提高输出功率和散热，目前制备的大功率发光管开发了一种激光蓝宝石衬底剥离工艺，该工艺对外延层损伤较大。如能在ZnO层上生长GaN发光管器件结构，可以利用ZnO易腐蚀的特性，对衬底进行化学腐蚀剥离，减少损伤。. 在本项目执行期间，我们改造了自行设计加工的MOCVD设备，在反应室中增加了光照系统，采用光辅助和增加反应室压强等改进工艺，提高了生长的ZnO薄膜质量；在蓝宝石衬底生长的ZnO薄膜XRD ω扫描半高宽由500弧秒左右降至280弧秒左右，载流子迁移率>70 cm2/V∙s。还对提高GaN薄膜MOCVD生长质量进行了大量研究，在蓝宝石衬底上面生长GaN外延层，在GaN外延层中生长具有多孔的SiN中间层，再生长GaN外延层，晶体位错密度明显降低，晶体质量改善；研究了SiC衬底上高质量GaN外延技术，在2英寸SiC衬底上获得了厚度达10微米以上无裂纹、高质量、低表面粗糙度（小于0.15nm）的GaN外延层。在此基础上，创新采用Ga2O3保护层技术，成功的利用Thomas Swan CCS 3x2”型GaN专用MOCVD设备在ZnO外延薄膜上低温生长了GaN薄膜材料，并制备了p-GaN/Ga2O3/ZnO/Ga2O3/n-GaN/Al2O3多层外延薄膜材料和相应的双异质结发光二极管，实现了电注入ZnO带边紫外光发射。还对Ga2O3外延层的一些特性进行了研究，Ga2O3层的折射率为1.93，小于GaN(~2.5)和ZnO(~2.2)的折射率，因此可以形成三层平板光波导结构，可以利用来制备半导体激光器件。. 项目执行期间出站博士后1名，培养博士研究生3名。还进行了国际合作和交流，提高了学术队伍的整体学术水平。较好的全面完成了项目任务，为进一步开展GaN系外延薄膜与Al2O3衬底的剥离研究提供一种新的技术方案。