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非极性氮化镓(GaN)材料因其能够完全避免极化电场的影响,在光电子和电子器件方面展现出了巨大的应用潜力。由于目前大尺寸GaN衬底的制备还存在很大的困难,所以主要的研究工作集中于在蓝宝石、碳化硅等其他衬底上外延GaN薄膜。然而异质外延的非极性GaN普遍存在表面形貌差、缺陷密度高以及晶体质量各向异性等问题,它们严重限制了非极性GaN材料的应用。本论文针对以上问题,一方面提出了一种新的侧向外延的生长方法,即通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在图形化的r面蓝宝石衬底上直接生长a面GaN;另一方面,系统研究了氮化铝(AlN)成核层生长条件对a面GaN的影响,并且探究了这些影响背后的机制。具体的研究内容和实验结果如下:1.针对传统侧向外延生长方法工艺过程复杂、合并厚度大的缺点,我们提出了在钛图形化的r面蓝宝石衬底上直接外延非极性a面GaN的生长方法。首先在r面蓝宝石衬底上制作一层金属钛的孔阵掩膜,然后在孔内选择性外延GaN,最终得到平整的a面GaN薄膜。相比平片,钛图形化衬底上生长的GaN不但表面质量和晶体质量有了较大的提高,而且其各向异性也得到了显著降低。通过扫描电子显微镜(SEM)、非对称X射线衍射倒易空间图(RSMs)和拉曼光谱(Raman Spectra)测试发现,使用钛图形化衬底后沿m轴方向的马赛克横向尺寸显著增加了,从而降低了a面GaN表面形貌和晶体质量的各向异性。这种方法的优点在于合并厚度薄、成本低而且更易实现,因此使用钛图形化衬底外延是获得高质量a面GaN的一种有效且实用的方法。2.和GaN相比,AlN材料具有更高的层错形成能和更低的表面原子迁移率,因此我们采用AlN作为成核层在r面蓝宝石衬底上生长a面GaN。研究发现a面GaN的表面形貌与晶体质量和AlN形核层的生长条件有着密切的关系。随着AlN生长温度的降低,AlN晶粒变得更大更稀疏,延迟了GaN小岛的合并,增加了横向生长距离,从而有效地降低了GaN薄膜中的缺陷密度。我们进一步研究了低温AlN的生长时间对a面GaN的影响。研究表明适当的AlN生长时间可以显著降低a面GaN薄膜的晶体质量、表面形貌和面内应变的各向异性,其原因是不同生长时间AlN可以调整GaN面内不同方向的横向生长长度,进而改变GaN薄膜的各向异性。这一研究表明适宜生长条件的AlN成核层可以有效提高a面GaN的表面形貌和晶体质量。