位错形态与GaN电阻率的关联

1实验

实验通过AIXTRON公司的TS300型MOCVD设备，在c面(0001)蓝宝石衬底上生长GaN样品。三甲基镓(TMGa)与NH3作为反应源，高纯H2作为载气。正式生长前，在1010℃、H2气氛下对蓝宝石晶片进行表面清理。生长过程中，首先在560℃下生长20nm的低温形核层，随后对其进行退火处理。之后升温至1070℃(GaN生长温度)，在其上生长2μm厚的GaN层，生长温度与生长压力在生长过程中保持恒定。本实验通过改变形核层退火压力获得3组样品，样品A、B、C对应的退火压力分别为10000，21330，54200Pa。利用带有HL5580缓冲放大器的Ac-centHL5500霍尔仪测量GaN的表面电阻率(测量范围为0～1011Ω/)。利用Bruker公司的D8Discover型HR-XRD对样品进行对称面(0002)与非对称面(1012)摇摆曲线ω扫描，以此来表征GaN薄膜镶嵌结构的倾转(Tilt)与扭转(Twist)值。利用SPA-300HV原子力显微镜(AFM)表征GaN薄膜的表面形貌。利用TEM在160kV电压条件下获得样品的透射电镜俯视图与横截面图，研究样品的微观结构。TEM试样制备首先通过常规的机械抛光，其后借助Gatan691型精密离子减薄仪进行Ar离子减薄。透射电镜的型号为JEM2010。

2结果与讨论

图1为不同成核层退火压力对GaN外延层方块电阻的影响。样品A的方块电阻大于1．0×1011Ω/，超过了霍尔仪可测量的最大值。样品B和样品C的方块电阻分别为2．0×107Ω/和8．5×104Ω/。从图1中可以看到，当退火压力从54200Pa降低到10000Pa时，GaN的方块电阻随着退火压力的降低而明显升高，其改变量高达7个数量级。这表明可以通过降低成核层退火压力的方法成功获得HR-GaN外延薄膜。同时，我们利用AFM对HR-GaN样品进行测量来观察该外延薄膜的表面情况，其平均表面粗糙度只有0．15nm，说明获得的高阻样品具有非常平整的表面。表1为3个样品的生长条件与霍尔测量值和XRD测量值之间的关系，其中包括成核层的退火压力、摇摆曲线的半峰宽(FWHM)、位错密度和方块电阻。根据Srikant等［19］提出的方法，我们计算得出3个样品的位错密度。(0002)的摇摆曲线FWHM值反应了螺型穿透位错和混合型位错中的位错密度，而(1012)的摇摆曲线FWHM值反应了刃型穿透位错和混合型位错中的位错密度［19-22］。

3结论

利用MOCVD方法，在蓝宝石衬底上获得了具有不同位错形态、不同电阻率的GaN外延薄膜。利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对穿透位错的形态和HR-GaN外延薄膜的成因间的关系进行了研究。研究发现，刃型位错相比于螺型位错对GaN薄膜的方块电阻影响更大，不同电阻率的GaN薄膜中存在不同的位错形态。由于刃型位错增加几倍不足以引起GaN薄膜的方块电阻7个数量级的增大，因此，本文重点研究了位错形态对GaN电阻率的影响，并通过建立GaN中位错的形态对GaN电阻率的影响的机理模型来解释该影响机理。刃型位错带有负电荷，同时相互交错的穿透位错可作为电子的流通通道。在LR-GaN中，几乎所有的穿透位错发生了弯曲和相互交错，负电荷可以沿着弯曲交错的位错线进行运动;在HR-GaN中，几乎全部的穿透位错垂直于蓝宝石衬底直立生长，负电荷在平行于衬底方向很难运动。弯曲的刃型位错被认为是电导通道，增大了GaN外延薄膜的电导率。穿透位错的形态决定着负电荷的运动情况，而负电荷的运动情况又决定着GaN外延薄膜的电阻率的大小。

作者：甄慧慧 鲁麟 刘子超 尚林 许并社 单位：太原理工大学