楊 揚，李培咸，周小偉，賈文博，趙曉云

(西安電子科技大學 寬禁帶半導體材料與器件教育部重點實驗室，陜西 西安710071)

GaN材料具有較大的直接帶隙、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、高熱導系數(shù)、高熔點及較高的電子飽和速度，是制造短波長高亮度發(fā)光器件、耐高溫器件的理想材料。但是，GaN薄膜通常是沿著其極性軸生長的，由自發(fā)極化和壓電效應而產生的強大內建電場大幅地降低了發(fā)光效率，內建電場的存在使能帶彎曲、傾斜，能級位置發(fā)生變化，發(fā)光波長發(fā)生藍移。同時由界面電荷產生的電場還會使正負載流子在空間上分離，電子與空穴波函數(shù)的交迭變小，使材料的發(fā)光效率大幅地降低。避開極化效應的根本方法是生長非極性面的GaN基材料，從而徹底消除極化效應的影響。目前普遍采用的用于制備非極性GaN基材料的途徑有兩種:(1)在LiAlO2的襯底上利用MBE技術生長()m面GaN。(2)在r面()藍寶石襯底用MBE，MOCVD和HVPE技術生長a面()GaN材料。r面藍寶石因其在高溫下穩(wěn)定，且在其上生長的GaN材料背底摻雜濃度低，是一種更理想的襯底材料，因此在r面藍寶石上生長a面GaN成為這一領域的研究熱點［1］。

關于r面藍寶石上生長的a面GaN的摻雜問題，有過n型摻雜的報道，而對Mg注入a面GaN的p型摻雜以及退火溫度的研究較少。文中通過AFM、PL、拉曼等測試手段對Mg注入a面GaN的退火溫度進行研究，實驗選取650℃、750℃、850℃這3個溫度進行對比研究，研究發(fā)現(xiàn)選取750℃時退火效果較好。

1 材料生長實驗

在r面藍寶石上生長的a面GaN材料是在立式MOCVD反應室中進行的，將襯底放入反應室后，先經(jīng)過高溫退火處理，然后以H2作為載氣進行GaN材料的生長，TMAl，TEGa，NH2和CP2Mg分別作為Al源，Ga源，N源和Mg源。首先生長一層25 nm厚的低溫AlN成核層，溫度為620℃;然后在其上生長一層100 nm厚高溫AlN緩沖層，溫度為1 060℃;接著生長一層200 nm厚的AlGaN/AlN超晶格層，溫度為1 040℃;在緩沖層生長結束后，生長一層1.5μm厚的非極性GaN薄膜，溫度為1 000℃，最后在上面生長一層摻Mg的p型a面GaN，生長溫度為880℃。

GaN材料生長結束后，為激活p－GaN中的Mg，需要進行退火處理，退火在N2氣氛中進行，在400～500 torr(1 torr=133 Pa)壓力下退火10 min，由于c面GaN的退火溫度約為750℃最佳，所以本次試驗為獲得理想的退火溫度，選取試驗的退火溫度分別為650℃，750℃和850℃，另外還有一片未做退火處理的GaN材料用作對比。

所有測試均在室溫下進行，采用型號為Agilent 5500 AFM，PL譜和拉曼測量采用325 nm的氦鎘激光器。

2 結果與討論

不同退火溫度的非極性a面p型GaN 5μm×5μm AFM 3d形貌，如圖1所示，不同的退火溫度，3個樣品的表面粗糙度有不同的變化，從樣品圖1(a)與樣品圖1(b)，圖1(c)，圖1(d)的比較可以看出，Mg的摻入使材料質量出現(xiàn)了一定的退化，同時在退火樣品圖1(b)，圖1(c)，圖1(d)的比較中可以看出樣品圖1(c)的表面相對于樣品圖1(b)，圖1(d)的表面形貌變得更加平緩，這是由于在氮氣氣氛退火時，表面存在著兩種運動，分解和吸附，在高溫下，兩種運動的平衡會造成表面原子的重新分布，在合適的退火溫度下，表面會變得平緩［2］。上述圖1(a)，圖1(b)，圖1(c)，圖1(d)4個樣品的RMS分別為37.2 nm，99.7 nm，47.9 nm，61.1 nm，從均方根粗糙度可以看出，退火樣品中圖1(c)最小，即退火溫度選在約750℃最合適。

圖1 4個樣品5μm×5μm AFM 3d形貌圖

圖1中4個樣品5μm×5μm AFM 3d形貌圖，圖1(a)～圖1(d)樣品的退火溫度分別為0℃，650℃，750℃，850℃。圖2是3個樣品的光致發(fā)光譜，圖2(a)為650℃退火時的光致發(fā)光譜，從圖中可以看到3個發(fā)光峰，圖中1，2，3的3個發(fā)光峰位分別為363 nm，411 nm，550 nm，對應著3.415 eV，3.02 eV，2.25 eV。其中發(fā)光峰位1對應著帶邊峰，對于發(fā)光峰位2文獻［3］報導為導帶自由電子和摻雜引入深受主能級復合引起，有人認為是深施主與淺受主對發(fā)光［4］，文中觀點趨向于認為是獨立的受主MgGa和位于導帶底170 meV處的間位Mg雜質Mgi復合所產生的，發(fā)光峰位3則為黃帶。圖2(b)為750℃退火似的光致發(fā)光譜，圖中出現(xiàn)了5個發(fā)光峰，發(fā)光峰位為367 nm，382 nm，550 nm，733 nm，751 nm，對應著3.378 eV，3.25 eV，2.26 eV，1.69 eV，1.65 eV;發(fā)光峰位1為帶邊峰，相對于650℃時峰位紅移了0.037 eV，這是由于750℃退火時GaN外延層的應力更好的得到了釋放，對于發(fā)光峰位2有報道為淺施主與Mg淺受主對復合發(fā)光［4］(DA對發(fā)光)，也有報道為導帶自由電子與Mg淺受主能級復合發(fā)光［5］(e，A發(fā)光)，文中認為是e，A發(fā)光，在KaufmannU等人試驗中［6］，摻Mg的GaN中出現(xiàn)3.24 eV譜線，他們把這個峰歸結于(Mg0，e)，也印證了文中的觀點。發(fā)光峰位3為黃帶，峰位4為帶邊峰的二倍頻峰，峰位5為紅帶。圖2(c)為850℃退火時的光致發(fā)光譜，出現(xiàn)了4個發(fā)光峰，發(fā)光峰位分別為364 nm，419 nm，550 nm，730 nm，分別對應3.406 ev，2.96 eV，2.26eV，1.69 eV;發(fā)光峰位1為帶邊峰，相對于650℃，峰位藍移了0.009 eV應力釋放效果也比650℃退火時效果好，峰位2的位置與650℃時峰位2的位置相當，文中認為兩者產生的機理相同，即為獨立的受主MgGa和位于導帶底170 meV處的間位Mg雜質Mgi復合所產生的，發(fā)光峰位3為黃帶，發(fā)光峰位4為帶邊峰的2倍頻峰。

圖2 不同溫度下的PL譜圖及對比

從圖2(d)中可以看出不同退火溫度下，750℃退火時PL譜的帶邊峰最強，不考慮非輻射復合的影響，樣品帶邊峰發(fā)光躍遷幾率與載流子濃度成正比，退火后，Mg雜質被激活，樣品載流子濃度增加，帶邊峰強度也將增加，所以3個溫度比較，750℃退火時PL譜退火激活的載流子最多，相對退火溫度最好。黃帶(實線)的產生機理目前仍在爭論中。目前普遍接受的觀點是黃帶是本征缺陷產生的施主和受主之間的輻射復合引起的，峰位約在2.2～2.3 eV。如果材料中的施主或受主雜質增多，則施主和受主雜質之間的距離減小，電子和空穴的波函數(shù)交疊增加，施主和受主復合的可能性大幅增加，從而提高了材料的黃帶［7］。從圖2(d)中可以看出，750℃退火時的黃帶強度最大，也就是750℃時摻入的Mg最多，從這一點上也能說明750℃退火效果相對較好。紅帶(虛線)是由退火引起的位于禁帶中心的深能級缺陷［8］，有報道認為對黃帶發(fā)射負責的點缺陷同樣對紅帶負責，由于其被不同擴散缺陷所影響從而使發(fā)光帶的峰位產生變化，由于只有750℃退火時出現(xiàn)了紅帶，這也從側面印證了750℃時退火較好。

不同退火溫度下的a面非極性GaN的拉曼光譜如圖3所示，實驗選取的背散射方向為y(x z)y，由拉曼散射的選擇定則可知此時的A1(TO)，E1(TO)，E2(H)，E1(LO)的4種聲子模式是允許的。其中E2(H)聲子模式對應力非常敏感，通常用E2(H)聲子模式的頻移來計算面內應力的大小，也可以通過E2(H)聲子模式半高寬的大小來判斷晶體質量的好壞［9］。實驗中未退火樣品、650℃退火、750℃退火、850℃退火的E2(H)聲子模式頻率分別為570.79 cm－1，570.79 cm－1，570.79 cm－1，570.79 cm－1;可以看出未退火與不同溫度退火條件下，面內的應力沒有變化，分析認為是非極性GaN材料生長質量較低，以及Mg的摻入量有限導致退火對面內應力的影響基本可以忽略。在T=300 K條件下，GaN在無應力條件下的E2(H)頻率為567.6 cm－1，實驗樣品中的E2(H)頻率向高能方向頻移了3.19 cm－1，此時樣品中還存在壓應力，這與襯底和外延層之間的晶格失配以及熱失配有關，需要在后續(xù)試驗中進一步研究降低應力的方法。

3 結束語

通過AFM，PL譜，Raman譜對不同退火溫度下Mg注入非極性a面GaN進行了研究，在選取650℃，750℃，850℃這3個退火溫度中，750℃退火時表面更加平整，在光致發(fā)光譜中750℃退火時帶邊峰的強度最大，更能有效激活摻入的Mg，獲得更高的載流子濃度。750℃退火時效果相對較好，為后續(xù)試驗奠定了基礎。

圖3 不同溫度下的拉曼譜以及對比

［1］ 許晟瑞，段煥濤，郝躍，等.r面藍寶石生長的a面氮化鎵研究［J］.西安電子科技大學學報:自然科學版，2009，36(10):1049－1052.

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