CN108330536A - PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PA‑MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，在C面GaN衬底上生长GaN薄膜，通过控制金属Ga源束流,衬底温度，氮气等离子体(N2plasma)流量和射频功率，生长出高晶体质量，高电子迁移率的单晶GaN薄膜。生长过程中，通过固定金属源束流，设定较低的生长速率；通过调节反射高能电子衍射(RHEED)的恢复时间，判定生长过程中的富Ga状态；通过调节衬底温度使得材料的生长模式从二维台阶生长模式+三维岛状生长模式转变为二维台阶生长模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)同质外延高质量GaN 单晶薄膜的制备方法，属于宽禁带半导体材料技术领域。
背景技术
作为宽禁带直接带隙半导体，Ⅲ族氮化物材料的带隙覆盖了从近红外波段到紫外可见波段，是实现固态照明器件，紫外光电子器件的理想材料；同时，其较高的电子迁移率和热导率使其在高频高功率电力电子器件方面也有着很大的应用潜力。GaN基LED在节能减排、环境保护等方面相比于传统照明光源具有很大的优势，是新一代照明光源，具有广阔的市场前景。GaN基微波功率器件可广泛应用于第三代无线通讯、卫星航天、军用相控阵雷达和灵巧武器等众多重要武器。然而，生长出高质量的GaN材料是研究开发GaN基器件的前提条件。早期GaN发展缓慢的主要原因之一是缺乏合适的衬底。早期衬底材料的热膨胀系数与GaN的热膨胀系数存在较大差异，且晶格常数差距较大，很难制备出高质量的GaN外延层。
国际上，随着图形化衬底技术、快速热退火技术、缓冲层技术以及二次外延等技术的出现，加之更为有效的生长设备的探索成功，使得对GaN的研究突飞猛进。在国内，虽然对GaN开始研究的时间较国外晚一点，但发展至今，GaN 基半导体材料及器件的研究也引起了国家的重视。器件的研究由研究所和企业共同完成，并获得丰硕的成果。目前我国的GaN材料的产量以及器件的研究已经达到世界先进水平。现今GaN领域的研究主要集中在提高晶体生长质量、材料及器件应用基础性研究以及器件制作趋于实用化方面。
目前，金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)设备适合大规模商业化生产GaN 基LED器件，并且能够得到稳定均匀的薄膜，在制作器件方面也有许多独特的优势，已经广泛应用于各个LED外延厂家。然而，MOCVD也有其弊端，比如采用金属有机化合物作为金属源，容易引入大量深能级杂质，使其具有较强的黄光带，而且其生长速率较快，互扩散比较严重，很难实现精确的界面控制。与之相应的，采用分子束外延(MBE)技术有如下特点：使用衬底温度低，薄膜生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整。这种技术可以实现原子层级生长从而精确控制厚度、结构与成分和形成陡峭的异质结构。此外，由于较低的外延生长温度降低了界面处的热失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响。对于MBE在GaN衬底上同质外延生长单晶GaN 薄膜的技术，目前尚未查到相关的专利文献。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其步骤包括：
1)在C面GaN衬底背面蒸镀上一层金属膜，使该衬底在生长过程中能有效吸收加热炉辐射的热量，控制GaN的生长温度；
2)将经过步骤1)处理的GaN衬底放入MBE缓冲室，MBE缓冲室抽真空，然后将衬底加热至350℃-500℃烘烤除气，利用较高的温度和较低的气压等手段，对吸附在衬底表面的水蒸气等杂质进行清除，以保证洁净的衬底表面和纯净的GaN生长环境；
3)利用束流探测器分析引入MBE生长腔室内部的金属Ga源束流，通过控制MBE内金属坩埚顶部和底部的温度，将金属Ga源的束流控制在1×10-8Torr- 1×10-6Torr之间，通过控制金属Ga源的束流，来控制GaN薄膜的最大生长速率；
4)将经过步骤1)-步骤2)处理的GaN衬底放入生长腔室，并将该衬底升温至350℃-450℃；向等离子体发生器引入流量为2-4sccm的高纯N2；打开等离子体发生器，将等离子体发生器的功率升至350W-500W之间；当引入等离子体发生器的高纯N2变成等离子体状态后，降低引入的N2流量至0.6-0.85sccm；向等离子体发生器引入高流量的高纯N2可调节高纯N2变成有效N等离子体的效率；
5)在完成步骤4)的基础上继续将GaN衬底升温至低于生长温度(生长温度在700℃-860℃范围内)40℃-80℃之间，并在温度达到450℃-500℃时打开 N2Plasma挡板，利用N2Plasma轰击GaN衬底表面可以除去衬底表面的氧化层，利于GaN薄膜的生长；
6)在完成步骤5)的基础上，打开金属Ga源挡板，然后将GaN衬底继续升温至生长温度后稳定5min，以稳定引入生长腔室的金属Ga的束流。
7)在完成步骤6)的基础上，关闭金属Ga源挡板，使得GaN衬底表面转化成富N状态，打开金属Ga源挡板并计时5-10min，然后关闭金属Ga源挡板并计时直至衬底表面由富金属状态完全恢复为富N状态，通过调节引入等离子体发生器的气体流量使得该时间控制在5-15s范围内；通过调节引入等离子体发生器的气体流量来控制到达GaN生长表面的Ⅴ/Ⅲ比；
8)在完成步骤7)的基础上，打开金属Ga源挡板，进入生长GaN薄膜的过程，生长时间设置在1.5-6h；
9)生长结束后迅速关闭金属Ga源挡板，并将衬底从生长温度降温至100℃ -250℃后取片；当温度降至300℃-500℃时，关闭N2Plasma挡板。在富N的情况下快速降温，可以保证较高质量的GaN晶体的表面。其中在步骤6)-步骤8) 过程中N2Plasma挡板一直保持开启状态。
优选的，步骤1)中所述金属为金属Ti或金属Mo，厚度为0.8-1.5μm。
优选的，步骤2)中真空度为小于等于1×10-6Torr，烘烤除气时间不小于0.5h。
优选的，步骤4)中GaN衬底以15℃/min至25℃/min的升温速率升温，高纯N2的纯度达到99.99999％。
优选的，步骤5)中GaN衬底以10℃/min-20℃/min的升温速率升温。
优选的，步骤6)中GaN衬底以8℃/min-15℃/min的升温速率升温。
优选的，步骤9)中GaN衬底以50℃/min至100℃/min的速率降温。
本发明通过采用有效的衬底预处理技术准备好洁净优质的衬底表面，通过阶段性升温以及控制金属Ga源与N2Plasma的挡板开关，调节衬底温度与N2流量，使得反射高能电子衍射仪(RHEED)恢复时间控制在合理的范围内。采用优化的操作步骤，在C面GaN衬底上采用固定金属源束流和Plasma功率，控制衬底温度和N2plasma流量，生长出高晶体质量，高电子迁移率的单晶GaN薄膜，所述GaN薄膜可达到原子层级外延生长，生长速率范围在0.027-0.083nm/s。相比较其他分子束外延生长方法，本发明不仅从调控材料的生长温度和表面的Ⅴ/Ⅲ比等角度，还从合理的N2Plasma的利用和恰当的开关金属Ga源挡板时机，以及在不同阶段中合适的升温和降温速率等方面使得材料的生长模式从二维台阶生长模式+三维岛状生长模式转变为二维台阶生长模式。二维台阶生长模式相对于二维台阶生长模式+三维岛状生长模式拥有更好的晶体质量和较好的表面平整度，为在此基础上生长高质量的同质结或异质结界面提供了技术上的保障。本发明制备的高质量GaN单晶薄膜可重复实现，可推广到PA-MBE在GaN衬底上外延InGaN，AlGaN合金以及相关量子结构。
附图说明
图1为实施例1中高质量GaN单晶外延薄膜结构示意图；
图2为实施例1中制得的高质量GaN单晶薄膜低温光致发光光谱与其它实施例中制备的样品的低温光致发光光谱对比图；
图3为实施例1中制得的高质量GaN单晶薄膜室温光致发光光谱与其它实施例中制备的样品的室温光致发光光谱对比图；
图4为实施例1中制得的高质量GaN单晶薄膜截面扫描电子显微镜图；
图5为实施例1中制得的高质量GaN单晶薄膜霍尔迁移率与其它实施例中制备的样品的霍尔迁移率对比图；
图6为实施例1中制得的高质量GaN单晶薄膜背景载流子浓度与其它实施例中制备的样品的背景载流子浓度对比图；
图7为实施例1中制得的高质量GaN单晶薄膜方块电阻与其它实施例中制备的样品的方块电阻对比图；
图8为实施例1中制得的高质量GaN单晶薄膜(002)面的XRD的摇摆曲线；
图9为实施例中1制得的高质量GaN单晶薄膜(102)面的XRD的摇摆曲线；
图10为实施例1中制得的高质量GaN单晶薄膜表面粗糙度与其它实施例中制备的样品的表面粗糙度对比图；
其中1代表蒸镀的金属Ti或金属Mo；2代表蓝宝石衬底；3代表C面GaN 衬底；4代表外延生长的高质量GaN单晶外延薄膜。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其步骤包括：
1.)在C面GaN衬底背面蒸镀上一层金属Ti膜，厚度约为1.0μm；
2.)将放入GaN衬底的MBE缓冲室真空度抽至1×10-8Torr后，将衬底加热至450℃，烘烤除气时间为1.0h；
3.)利用束流探测器分析引入MBE生长腔室内部的金属Ga源束流，通过控制MBE内金属坩埚顶部和底部的温度，将金属Ga源的束流控制在5.63×10-7 Torr；
4.)将放入生长腔室的GaN衬底以20℃/min的升温速率升温至400℃后，向等离子体发生器引入流量为3sccm的N2；打开等离子体发生器，将等离子体发生器的功率升至450W；当引入等离子体发生器的高纯N2变成等离子体状态后，降低引入的N2流量至0.7sccm；
5.)将衬底以15℃/min的升温速率升温至760℃。并在温度达到450℃时打开N2Plasma挡板；
6.)打开金属Ga源挡板，然后将GaN衬底以10℃/min的升温速率升温至生长温度820℃后，稳定5min；
7.)关闭金属Ga源挡板，使得GaN衬底表面转化成富N状态。打开金属源阀门并计时8min，后关闭金属源阀门并计时直至衬底表面由富金属状态完全恢复为富N状态。通过调节引入等离子体发生器的气体流量使得该时间控制在6s 范围内。多次重复该步骤直至该恢复时间稳定。
8.)打开金属Ga源挡板，进入生长GaN薄膜的过程，生长时间为4h；
9)生长结束后迅速关闭金属Ga源挡板，并以50℃/min的速率将衬底从生长温度降温至200℃后取片，当温度降至400℃时，关闭N2Plasma挡板。
生长的高质量GaN单晶薄膜在10K下的低温PL如图2中所示；常温PL谱如图3所示；载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；(002)面半峰宽如图8所示；(102)面半峰宽如图9所示；粗糙度RMS如图10所示。
实施例2
本PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其步骤包括：
1.)将GaN衬底背面蒸镀有金属Mo，厚度约为0.8μm；
2.)将放入GaN衬底的MBE缓冲室真空度抽至1×10-6Torr后，将衬底加热至350℃，烘烤除气时间为0.5h；
3.)利用束流探测器，通过控制MBE内金属坩埚顶部和底部的温度，将金属 Ga源的束流控制在1×106Torr；
4.)将放入生长腔室的GaN衬底以15℃/min的升温速率升温至350℃后，向等离子体发生器引入流量为2sccm的N2；打开等离子体发生器，将等离子体发生器的功率升至500W；当引入等离子体发生器的高纯N2变成等离子体状态后，降低引入的N2流量至0.6sccm；
5.)将衬底以10℃/min的升温速率升温至620℃。并在温度达到470℃时打开N2Plasma挡板；
6.)打开金属源挡板，然后将衬底以8℃/min的升温速率升温至生长温度 700℃后，稳定5min；
7.)关闭金属源，使得衬底表面转化成富N状态。打开金属源阀门并计时 5min，后关闭金属源阀门并计时直至衬底表面由富金属状态完全恢复为富N状态。通过调节引入等离子体发生器的气体流量使得该时间控制在5s范围内。多次重复该步骤直至该恢复时间稳定；
8.)打开金属Ga源挡板，进入生长GaN薄膜的过程，生长时间为1.5h；
9.)生长结束后迅速关闭金属Ga源挡板，并以80℃/min的速率将衬底从生长温度降温至250℃后取片，当温度降至300℃时，关闭N2Plasma挡板。
制的高质量GaN单晶薄膜的载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；
实施例3
本PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其步骤包括：
1.)将GaN衬底背面蒸镀有金属Ti，厚度约为1.5μm；
2.)将放入GaN衬底的MBE缓冲室真空度抽至1×10-8Torr后，将衬底加热至500℃，烘烤除气时间为2.0h；
3.)利用束流探测器，通过控制MBE内金属坩埚顶部和底部的温度，将金属源的束流控制在1×10-8Torr；
4.)将放入生长腔室的GaN衬底以25℃/min的升温速率升温至450℃后，向等离子体发生器引入流量为4sccm的N2；打开等离子体发生器，将等离子体发生器的功率升至350W；当引入等离子体发生器的高纯N2变成等离子体状态后，降低引入的N2流量至0.85sccm；
5.)将衬底以20℃/min的升温速率升温至650℃。并在温度达到500℃时打开N2Plasma挡板；
6.)打开金属源挡板，然后将衬底以15℃/min的升温速率升温至生长温度 720℃后，稳定5min；
7.)关闭金属源，使得衬底表面转化成富N状态。打开金属源阀门并计时 10min，后关闭金属源阀门并计时直至衬底表面由富金属状态完全恢复为富N状态。通过调节引入等离子体发生器的气体流量使得该时间控制在15s范围内。多次重复该步骤直至该恢复时间稳定；
8.)打开金属Ga源挡板，进入生长GaN薄膜的过程，生长时间为6h；
9.)生长结束后迅速关闭金属Ga源挡板，并以100℃/min的速率将衬底从生长温度降温至100℃后取片，当温度降至500℃时，关闭N2Plasma挡板。
制的高质量GaN单晶薄膜的载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；
实施例4
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至 660℃，制备步骤6中衬底生长温度为740℃。
制的高质量GaN单晶薄膜的载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；
实施例5
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至710℃，制备步骤6中衬底生长温度为760℃。
制的高质量GaN单晶薄膜的载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；
实施例6
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至 720℃，制备步骤6中衬底生长温度为770℃。
制的高质量GaN单晶薄膜的常温PL谱如图3所示；载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；
实施例7
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至730℃，制备步骤6中衬底生长温度为780℃。
制的高质量GaN单晶薄膜的常温PL谱如图3所示；载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；
实施例8
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至 740℃，制备步骤6中衬底生长温度为790℃。
制的高质量GaN单晶薄膜的粗糙度RMS如图10所示。
实施例9
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至 750℃，制备步骤6中衬底生长温度为800℃。
制的高质量GaN单晶薄膜在10K下的低温PL如图2中所示；常温PL谱如图3所示；载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；粗糙度RMS如图10所示。
实施例10
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至 760℃，制备步骤6中衬底生长温度为810℃。
制的高质量GaN单晶薄膜在10K下的低温PL如图2中所示；常温PL谱如图3所示；载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；粗糙度RMS如图10所示。
实施例11
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至 780℃，制备步骤6中衬底生长温度为830℃。
制的高质量GaN单晶薄膜在10K下的低温PL如图2中所示；载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；粗糙度RMS 如图10所示。
实施例12
该实施例步骤与实施例1基本一致，其区别在于制备步骤5中将衬底升温至 800℃，制备步骤6中衬底生长温度为840℃。
制的高质量GaN单晶薄膜在10K下的低温PL如图2中所示；载流子迁移率如图5所示；背景载流子浓度如图6所示；方块电阻如图7所示；粗糙度RMS 如图10所示。
图2：10K温度下不同生长温度制备的GaN单晶薄膜的PL谱表明：采用本发明优化的生长步骤及条件中820℃为最佳的生长温度，采用该参数制备的GaN 晶体的半峰宽已经低至4.0meV。
图3：室温下不同生长温度制备的GaN单晶薄膜的PL谱表明：采用本发明优化的生长步骤及条件中820℃为最佳的生长温度，采用该参数制备的GaN晶体的黄光带得到很大程度上的抑制。
图4：GaN薄膜截面在SEM下放大6500倍的图像，表明：所述采用本发明优化的生长步骤及条件制备的GaN薄膜的生长速率范围为0.027-0.083nm/s，达到原子层级外延生长。
图5：室温下不同生长温度下制备的GaN单晶薄膜的霍尔迁移率图谱，表明：采用本发明优化的生长步骤及条件中820℃为最佳的生长温度，采用该参数制备的GaN晶体的霍尔迁移率为371cm2/V*s，达到了较高的PA-MBE生长GaN 水平。
图6：室温下不同生长温度下制备的GaN单晶薄膜的载流子浓度图谱，表明：采用本发明优化的生长步骤及条件中820℃为最佳的生长温度，采用该参数制备的GaN晶体的背景载流子浓度降低至2.937*1013/cm2，达到了较高的 PA-MBE生长GaN水平。
图7：室温下不同生长温度下制备的GaN单晶薄膜的方块电阻图谱，表明：采用该参数制备的GaN晶体的方块电阻随GaN晶体的生长温度的增加而逐渐趋于稳定，本发明的生长步骤中820℃为仍为最佳的生长温度。
图8：采用本发明优化的生长步骤及条件，利用XRD测得的在820℃条件下制备的GaN单晶薄膜的(002)面的摇摆曲线，该曲线表明：采用本发明优化的生长条件制备的GaN单晶薄膜的(002)面半峰宽低至199.8″，达到了PA-MBE 生长GaN较高的水平。
图9：采用本发明优化的生长步骤及条件，利用XRD测得的在820℃条件下制备的GaN单晶薄膜的(102)面的摇摆曲线，该曲线表明：采用本发明优化的生长条件制备的GaN单晶薄膜的(102)面半峰宽低至251″，达到了PA-MBE 生长GaN较高的水平。
图10：采用本发明优化的生长步骤及条件，利用AFM测得的不同生长温度下制备的GaN单晶薄膜的方均根粗糙度，该谱图表明：采用本发明优化的生长条件制备的GaN单晶薄膜的最佳的生长温度在820℃附近，且随温度升高至 820℃时，材料的生长模式从二维台阶生长模式+三维岛状生长模式转变为二维台阶生长模式。二维台阶生长模式下的GaN单晶薄膜的方均根粗糙度在2μm*2 μm尺寸下达到了0.25nm，达到了PA-MBE生长GaN较高的水平。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其步骤包括：
1)在C面GaN衬底的背面蒸镀上一层金属膜；
2)将经过步骤1)处理的GaN衬底放入MBE缓冲室，MBE缓冲室抽真空，然后将衬底加热至350℃-500℃烘烤除气；
3)利用束流探测器分析引入MBE生长腔室内部的金属Ga源束流，通过控制MBE内金属坩埚顶部和底部的温度，将金属Ga源的束流控制在1×10-8Torr-1×10-6Torr之间；
4)将经过步骤1)-步骤2)处理的GaN衬底放入生长腔室，并将该衬底升温至350℃-450℃；向等离子体发生器引入流量为2-4sccm的高纯N2；打开等离子体发生器，将等离子体发生器的功率升至350W-500W之间；当引入等离子体发生器的高纯N2变成等离子体状态后，降低引入的N2流量至0.6-0.85sccm；
5)在完成步骤4)的基础上继续将GaN衬底升温至低于生长温度40℃-80℃之间，并在温度达到450℃-500℃时打开N2Plasma挡板；
6)在完成步骤5)的基础上，打开金属Ga源挡板，然后将GaN衬底继续升温至生长温度后稳定5min；
7)在完成步骤6)的基础上，关闭金属Ga源挡板，使得GaN衬底表面转化成富N状态，打开金属Ga源挡板并计时5-10min，然后关闭金属Ga源挡板并计时直至衬底表面由富金属状态完全恢复为富N状态，通过调节引入等离子体发生器的气体流量使得该时间控制在5-15s范围内；
8)在完成步骤7)的基础上，打开金属Ga源挡板，进入生长GaN薄膜的过程，生长时间设置在1.5-6h；
9)生长结束后迅速关闭金属Ga源挡板，并将衬底从生长温度降温至100℃-250℃后取片；当温度降至300℃-500℃时，关闭N2Plasma挡板。
2.根据权利要求1所述的PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述金属为金属Ti或金属Mo，厚度为0.8-1.5μm。
3.根据权利要求2所述的PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中真空度为小于等于1×10-6Torr，烘烤除气时间不小于0.5h。
4.根据权利要求3所述的PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其特征在于：步骤4)中GaN衬底以15℃/min至25℃/min的升温速率升温，高纯N2的纯度达到99.99999％。
5.根据权利要求4所述的PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其特征在于：步骤5)中GaN衬底以10℃/min-20℃/min的升温速率升温。
6.根据权利要求5所述的PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其特征在于：步骤6)中GaN衬底以8℃/min-15℃/min的升温速率升温。
7.根据权利要求6所述的PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其特征在于：步骤9)中GaN衬底以50℃/min至100℃/min的速率降温。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110212028A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-09-06 | 张士英 | 一种集成反向二极管和内嵌漏极场板的横向扩散eGaN HEMT器件 |
| CN111430451A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-17 | 华厦半导体(深圳)有限公司 | 一种氮化镓生长衬底及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1395291A (zh) * | 2002-06-28 | 2003-02-05 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 射频等离子体分子束外延生长氮化镓的双缓冲层工艺 |
| CN101187057A (zh) * | 2007-08-28 | 2008-05-28 | 中国科学院物理研究所 | 表面活性剂法制备表面平整的高质量氧化锌外延薄膜 |
| CN105019027A (zh) * | 2014-04-23 | 2015-11-04 | 长春理工大学 | 用分子束外延（MBE）在GaSb衬底上无催化制备GaSb纳米线的方法 |
-
2018
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1395291A (zh) * | 2002-06-28 | 2003-02-05 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 射频等离子体分子束外延生长氮化镓的双缓冲层工艺 |
| CN101187057A (zh) * | 2007-08-28 | 2008-05-28 | 中国科学院物理研究所 | 表面活性剂法制备表面平整的高质量氧化锌外延薄膜 |
| CN105019027A (zh) * | 2014-04-23 | 2015-11-04 | 长春理工大学 | 用分子束外延（MBE）在GaSb衬底上无催化制备GaSb纳米线的方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| DAVID F. STORM，ET AL.: "Surface preparation of freestanding GaN substrates for homoepitaxial GaN growth by rf-plasma MBE", 《J. VAC. SCI. TECHNOL. B》 * |
| G. KOBLMÜLLER,ET AL.: "High electron mobility GaN grown under N-rich conditions by plasma-assisted molecular beam epitaxy", 《APPLIED PHYSICS LETTERS》 * |
| G. KOBLMÜLLER,ET AL.: "In situ investigation of growth modes during plasma-assisted molecular beam epitaxy of (0001) GaN", 《APPLIED PHYSICS LETTERS》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110212028A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-09-06 | 张士英 | 一种集成反向二极管和内嵌漏极场板的横向扩散eGaN HEMT器件 |
| CN111430451A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-17 | 华厦半导体(深圳)有限公司 | 一种氮化镓生长衬底及其制备方法 |
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