氮化鎵表面原子吸附行為及其外延生長(zhǎng)和發(fā)光性質(zhì)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著材料制備技術(shù)和器件設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步，被稱之為第三代半導(dǎo)體材料的寬帶隙半導(dǎo)體的研究迅速發(fā)展起來(lái)，其中氮化鎵（GaN）及其III 族氮化物半導(dǎo)體材料的相關(guān)研究最為廣泛。由于III 族氮化物在短波長(zhǎng)光電子器件和高頻大功率電子器件方面廣泛的應(yīng)用前景，世界各國(guó)政府有關(guān)機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)、以及風(fēng)險(xiǎn)投資公司紛紛加大了對(duì)氮化鎵基半導(dǎo)體材料及其器件的研發(fā)投入和支持。作為新型光顯示、光存儲(chǔ)、光照明、光探測(cè)器件，氮化鎵器件的廣泛應(yīng)用預(yù)示著光電信息乃至光

2、子信息時(shí)代的來(lái)臨。本文主要圍繞氮化鎵及其III 族氮化物材料，對(duì)其外延生長(zhǎng)表面化學(xué)吸附、外延生長(zhǎng)技術(shù)以及材料和量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行研究。
　　 本文首先使用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算程序CPMD （Car-ParrinelloMolecular Dynamics）對(duì)III 族氮化物外延生長(zhǎng)表面原子吸附進(jìn)行了計(jì)算和分析。討論了外延原子在襯底表面不同位置的吸附情況，以及不同生長(zhǎng)面原子對(duì)吸附原子吸附能的影響。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算

3、并分析了生長(zhǎng)晶面的極性和生長(zhǎng)晶面雙軸應(yīng)變狀態(tài)對(duì)外延原子吸附能的影響。結(jié)果表明，隨著鎵原子在生長(zhǎng)表面覆蓋率的增大，鎵原子在氮極性氮化鎵的穩(wěn)定性低于鎵極性氮化鎵，這使得鎵極性的氮化鎵的化學(xué)穩(wěn)定性高于氮極性的氮化鎵。另外，在應(yīng)變狀態(tài)下，銦原子的吸附生長(zhǎng)對(duì)襯底極性的敏感程度非常大，不同極性的襯底生長(zhǎng)出來(lái)的結(jié)果差距將會(huì)非常大，其次是鎵原子和鎂原子，而硅原子和鋁原子則相對(duì)于其他吸附原子而言不同襯底極性下生長(zhǎng)出來(lái)的結(jié)果差異較小。當(dāng)合成三元化合物或進(jìn)行

4、摻雜時(shí)，存在不同原子之間在同一個(gè)吸附位的競(jìng)爭(zhēng)吸附，壓應(yīng)變狀態(tài)下吸附原子的吸附能變化幅度較大，而張應(yīng)變狀態(tài)下吸附原子的吸附能變化幅度則相對(duì)較小。因此，相對(duì)于張應(yīng)變狀態(tài)，壓應(yīng)變對(duì)氮化鎵基外延生長(zhǎng)的影響較大。
　　 隨后，在理論計(jì)算研究的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)AIXTRON 公司的Thomas SwanMOCVD 設(shè)備研究了氮化鎵材料外延制備和氮化鎵材料的p 型摻雜。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析V/III 摩爾比對(duì)氮化鎵材料生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)晶體質(zhì)量的影響，綜

5、合生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)晶體質(zhì)量?jī)蓚€(gè)因素，當(dāng)?shù)壨庋由L(zhǎng)溫度1050℃時(shí)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的最佳V/III 摩爾比值為1000～1500。通過(guò)四種不同生長(zhǎng)溫度的氮化鎵薄膜對(duì)比，研究了氮化鎵薄膜晶體質(zhì)量隨生長(zhǎng)溫度變化的規(guī)律。結(jié)果表明，隨著生長(zhǎng)溫度變高，氮化鎵外延晶體垂直薄膜面缺陷密度單調(diào)降低，平行薄膜面缺陷密度先降低后升高。這導(dǎo)致更高溫度下生長(zhǎng)的氮化鎵晶體質(zhì)量變差。通過(guò)分析不同晶體質(zhì)量氮化鎵外延薄膜的光致熒光光譜，研究了內(nèi)部缺陷對(duì)黃光發(fā)光帶的貢獻(xiàn)。氮

6、化鎵材料中螺型位錯(cuò)主要影響黃光發(fā)光帶，而刃型位錯(cuò)則主要影響帶邊峰。通過(guò)構(gòu)建不同厚度的緩沖層和電子勢(shì)壘層，研究了緩沖層背景電子濃度對(duì)p 型氮化鎵材料空穴濃度的影響，結(jié)果表明抑制背景電子濃度能有效提高p 型氮化鎵摻雜效果，并且p 型勢(shì)壘層的存在能提高p 型氮化鎵材料的空穴濃度。
　　 最后在氮化鎵外延生長(zhǎng)工藝、材料發(fā)光性質(zhì)以及氮化鎵p 型摻雜的研究基礎(chǔ)上，本文研究了氮化銦鎵多量子阱發(fā)光性質(zhì)。通過(guò)光致熒光光譜研究了氮化銦鎵多量子阱的不

7、同結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光波長(zhǎng)的影響，并通過(guò)深入分析極化電場(chǎng)在這些影響中的作用，研究了量子阱局限效應(yīng)對(duì)氮化銦鎵多量子阱發(fā)光的影響。結(jié)果表明，增大阱層厚度使得激發(fā)光波形峰值波長(zhǎng)發(fā)生較大紅移，同時(shí)發(fā)光光強(qiáng)大幅降低，減小阱層厚度則使得激發(fā)光波形峰值波長(zhǎng)發(fā)生較小藍(lán)移，同時(shí)發(fā)光光強(qiáng)急劇增大。通過(guò)提高阱層兩邊的壘層高度，可以增強(qiáng)了量子局限效應(yīng)，提高電子空穴復(fù)合效率。通過(guò)改變注入電流大小研究了氮化銦鎵基量子阱電致發(fā)光光譜隨注入電流大小的變化情況，結(jié)果表明