[发明专利]一种利用高温退火表征GaN外延层中位错的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过将GaN外延层加热到高温进行退火来表征GaN外延层中位错的方法。利用该方法不仅能够表征位错的密度和分布，而且能够判别位错的种类，属于光电子技术领域。

背景技术

以GaN（氮化镓）为代表的第三代半导体材料，由于具有宽的禁带（在室温下其禁带宽度为3.4eV），可以发射波长比红光更短的蓝光。同时，GaN还具有高电子迁移率、高击穿电压、化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀等特点，非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。因此，GaN在半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器以及高能高频电子器件等方面有广阔的应用前景。目前，GaN材料及其相关器件已经成为世界范围内的研究热点。然而，由于缺少本征衬底，大部分的GaN都是在异质衬底上进行生长的，比如蓝宝石、碳化硅、硅。由于GaN和异质衬底之间的晶格失配和热失配，GaN衬底的位错密度比较高，这导致GaN基器件性能的降低。因此，评估位错的密度，鉴别位错的类型对于指导GaN的生长非常重要。

目前，已经有多种方法被用来评估位错密度。其中，透射电子显微镜（TEM）是研究表面位错和断面位错的有力工具（参见K.Shiojima,J.Vac.Sci.Technol.B,2000,18,37.），但是，由于制备TEM样品需要耗费大量的时间，这种方法并没有在实际生产中得到广泛的应用。化学湿法腐蚀是一种被广泛应用于位错评估的方法（参见Lei zhang,Yongliang Shao,Yongzhong Wu,Xiaopeng Hao,Xiufang Chen,Shuang Qu and Xiangang Xu,J.Alloys and Compd.,2010,504,186.），其优点是简便易行并且造价较低。X射线衍射作为一种间接测定位错密度的方法，也被广泛应用（Moram M A and Vickers M E,Rep.Prog.Phys.2009,72,036502）。这种方法的优点是非常方便并且不会造成衬底损伤，缺点是只能得到晶体的平均位错密度，不能直观的揭示位错的分布情况。电子通道衬度法是一种分析六方材料位错的新方法，这种方法准确、可信而且没有损伤（参见G.Naresh-Kumar,B.Hourahine,P.Edwards,A.Day,A.Winkelmann,A.Wilkinson,P.Parbrook,G.England,C.Trager-Cowan,Physical Review Letters,2012,108,135503.）。然而，这项技术需要特殊的SEM附属设备，这在普通的材料实验室都很难见到。通过原位表面处理技术观察GaN的位错终端也可以表征位错的密度（参见R.A.Oliver,M.J.Kappers,J.Sumner,R.Datta and C.J.Humphreys,J.Cryst.Growth,2006,289,506-514.）。将GaN在860℃下，在NH₃气氛中通入SiH₄，这种技术可以有效的揭示位错终端，但是不能判断位错的类型。

发明内容

本发明针对现有评估GaN衬底位错密度及鉴别位错类型的方法存在的不足，提供一种利用高温退火表征GaN外延层中位错的方法，该方法不仅能够评估位错的密度，还能区分位错的种类，研究位错的分布，具有简便、快捷、成本低的优点。

本发明的利用高温退火表征GaN外延层中位错的方法，包括以下步骤：

（1）将带有GaN外延层的衬底放入加热炉中，将加热炉密封；

（2）将加热炉内气压抽至3×10²-1×10⁴Pa，向加热炉内通入N₂至加热炉内气压升到室内实际气压值；

（3）再次将加热炉气压抽至3×10²-1×10⁴Pa，向加热炉内通入N₂至加热炉内气压升到室内实际气压值；

（4）将加热炉的温度升到1000-1200℃后保温3分钟-20分钟，进行退火，加热炉温度由室温升到退火温度（1000-1200℃）的时间为3小时-8小时；

（5）将加热炉温度由退火温度降回到室温，时间为8小时-20小时；

（6）从加热炉中取出样品，并利用显微镜（扫描电子显微镜（SEM））进行观察。