AlGaNGaN半导体异质结构材料的高温性质研究进展？

GaN作为第三代半导体材料，因其优良的特性，日益成为研究的热点，在微电子和光电子领域具有十分广阔的应用优势和发展前景。

本论文采用电子回旋共振(ECR)微波等离子体辅助金属有机物化学气相沉积(PAMOCVD)方法，以氮等离子体为氮源，研究了大晶格失配(14％)异质结GaN/Al_2O_3(0001)的低温(700℃)外延生长。为了释放因晶格失配产生的应力，以降低在GaN外延膜中引起的缺陷密度，我们对蓝宝石衬底采用了氢等离子体清洗、氮等离子体氮化以及低温生长缓冲层的方法。我们用X射线衍射(XRD)来表征晶体的结构，用原子力显微镜(AMF)来表征表面形貌。通过高能电子衍射仪(RHEED)、对实验结果进行分析比较，对GaN薄膜的清洗、氮化、缓冲层和外延生长实验参数进行了优化。XRD和AFM的结果表明，我们在蓝宝石衬底上获得了晶质良好的GaN薄膜。实验中采用了氢氮混合等离子体清洗的方法，提高了清洗的质量。文中讨论了氮化层的原子排列点阵相对于蓝宝石衬底(0001)面旋转了30°的机理；解释了在六方相的缓冲层上在较低温度下外延生长GaN的过程中出现立方相GaN的现象。另外，在分析实验流程的特点的基础上，对ES...

GaN,

one

of

the

third

generation

semiconductor

materials,

becomes

the

hot

point

of

research

because

of

its

excellent

characteristics.

It

has

wide

potential

application

and

development

in

the

fields

of

microelectronics

and

optoelectronics.

This

dissertation

presents

the

investigation

on

the

epitaxy

growth

with

large

lattice

mismatch

(14%)

heterostructures

GaN/Al2O3(0001),

by

an

electron

cyclotron

resonance

(ECR)

plasma

assisted

metalorganic

chemical

vapor

deposition

(PAMOCVD)

with

a

nitrogen

plasma

as

a

ni...

【DOI】

CNKI:CDMD:2.2004.094289

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二维晶体点阵

如果我们把晶体结构分析局限于表面原子层，可以发现表层原子排列的规则不一定保持其内部三维点阵的连续性，即未必与内部平行的原子面相同（见晶体表面）。为了用电子衍射方法研究这种表层的二维结构，必须满足以下两个条件：①入射束波长足够短，根据二维点阵衍射的布喇格方程，波长应小于点阵周期；②电子束的穿透和逸出深度限于表面几个原子层。最能满足上述要求的是利用低能（50～500eV）电子束和掠射角接近于零的高能（30～50keV）电子束作为表层结构分析的微探针，分别称为低能电子衍射（lowenergyelectrondiffraction）和反射式高能电子衍射(reflectedhighenergyelectrondiffraction）。

低能电子衍射

电子衍射一束低能量电子平行地入射样品表面，在全部背向散射的电子中，约有1%为d性背散射电子（能量与入射电子相同）。由于表面原子排列的点阵特性，这种电子的d性相干散射将在接收阳极的荧光屏上显示规则的斑点花样。为了检测低能电子的微弱信号，通常采用所谓后加速（post-acceleration）技术，由样品表面背散射的电子在穿过和样品同电位的栅极G1以后，才受到处于高电位的接收阳极的加速，并撞击到荧光屏上产生可供观察或记录的衍射斑点。栅极G2比电子q灯丝稍负，用以阻挡非d性散射电子通过，降低花样的背景。为了研究真正的表层结构，必须严格控制分析室内因残余气体吸附引起的污染，一般需保持10-9～10-10Torr（10-7～10-8Pa）的超高真空。

随着表面科学的发展，低能电子衍射在研究表面结构、表面缺陷、气相沉积表面膜的生成（如外延生长）、氧化膜的结构、气体的吸附和催化过程等方面，得到了广泛的应用。低能电子衍射常与俄歇电子谱仪（AES）、电子能谱化学分析仪（ESCA）等组合成多功能表面分析仪，因为它们在超高真空要求和被检测电子信息的能量范围等方面都比较接近。

低能电子衍射（LEED），是将能量为5～500eV范围的单色电子入射于样品表面，通过电子与晶体相互作用，一部分电子以相干散射的形式反射到真空中，所形成的衍射束进入可移动的接收器进行强度测量，或者再被加速至荧光

电子衍射屏，给出可观察的衍射图像[低能电子衍射仪简图]。图中，第一栅接地，使衍射电子自由飞过样品和栅之间的空间；第二栅加几十伏负电压，可滤去非d性散射电子。荧光屏施加千伏高压，使电子有足够的能量激发荧光物质。由于物质对电子的散射比对X射线的散射强很多，使低能电子具有很高的表面灵敏度。虽然在1927年C.J.戴维孙和L.H.革末发现了LEED，但因多重散射带来了技术上和理论上的复杂性，使低能衍射的实际应用推迟了40年。直到70年代以后，在超高真空技术发展的基础上，才使此技术获得新生。

低能电子衍射图样给出晶体表面倒易空间的晶网像，或者说直接给出晶体倒易点阵的一个二维截面（见表面结构），它可以在一个二维模型基础上运用衍射的运动学理论加以解释（见衍射动力学理论）。一个无限大的二维晶体，其倒易点阵是垂直于二维晶面的倒易棒所形成之阵列，如图2[二维周期性结构衍射束的厄瓦耳球结构]所示。平行于此晶面的入射波矢k与散射波矢（k）之差等于此晶面的二维倒易点阵矢量G，即有（k）－k=G时，满足衍射加强条件。故于图2[二维周期性结构衍射束的厄瓦耳球结构]中以入射波矢k为半径作一球（称为厄瓦耳球），球与倒易棒的交点，即给出衍射束的波矢k。在相应的正空间中，衍射加强条件就是布格公式中、为二维平移矢量的长度。从衍射图可以确定表面平移矢量a、b，研究各种类型的表面有序结构，给出相应的空间群（见表面结构）。

衍射强度分析是利用LEED确定表面单胞内原子位置的核心问题由于慢电子的动能与晶体中散射势相近，通常处理高能电子衍射的运动学理论或修正的运动学理论不能用于低能电子衍射。理论计算与实验数据的比较表明，分析低能电子在晶体中的行为，必须考虑晶体中原子、电子及声子与它的相互作用，以及低能电子在晶体中所受的多重散射。将所有这些相互作用表示成为一个有效势（），低能电子的哈密顿量即写为待求的衍射强度等于本征波函数的模的二次方||。现代低能电子衍射理论分析很多就是从多重散射格林函数方法出发，对具体散射过程作各种模型假设，发展了若干行之有效的方法，如KKR法、贝基T－矩阵法、重正化向前散射法、双层法、链方法及其他微扰法。低能衍射技术已推广到研究表面缺陷、二维相变，其理论分析方法也为其他的表面分析技术所借鉴。

低能电子衍射仪常与多种表面分析仪联用，综合地分析各种金属、半导体的清洁表面与吸附表面的元素组成和表面原子结构。

反射式高能

如果采用30～50kV的电子q加速电压，电子波长范围在0.00698～0.00536nm之间，用这样能量的平行电子束以小于1°的掠射角入射样品表面，即为反射式高能电子衍射。RHEED也能以与LEED相当的灵敏度检测表面结构。

反射式高能电子衍射是一种研究晶体外延生长、精确测定表面结晶状态以及表面氧化、还原过程等的有效分析手段。由于接收系统的改进，在多功能表面分析仪中RHEED和LEED都能进行,使表面结构的研究更为方便。

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