離子注入GaN的光學和電學特性研究.pdf

1、寬帶隙半導體材料——GaN，由于其優(yōu)良的物理和化學性質，使其在短波區(qū)發(fā)光器件、極端條件(譬如輻射環(huán)境)器件等領域有著重要和廣泛的應用潛力和良好的市場前景。故而，對于GaN材料摻雜研究成為目前半導體材料研究領域的熱點之一。作為常用的器件處理工藝，離子注入是一種有效的摻雜方式。由于離子注入對GaN材料的光學和電學特性有著較大的影響，同時對于GaN的不同發(fā)光帶的發(fā)光機理還沒有明確統(tǒng)一的認識，所以本工作重點對離子注入GaN材料光學特性的影響進行

2、了研究，并對離子注入GaN材料的電學特性的影響以及不同離子注入絕緣的應用前景進行了探討。值得一提的是實驗同時對離子共注GaN技術進行了初步的探討。 實驗過程中采用的注入方法為單離子注入(Be、Mg、Al、Si)和雙離子混合注入(Mg+Be、Mg+Si)。其中單離子的劑量分別為：1013、1014、1015、1016/cm2：雙離子的注入劑量為：1013、1014、1015/cm2(Mg+Be)和1013、1014、1015、10

3、16/cm2(Mg+Si)，注入是在室溫的條件下進行的。注入后的樣品在950℃的流動氮氣的環(huán)境下進行熱退火，退火時間為30分鐘。對退火前后的樣品分別進行室溫光致發(fā)光、拉曼散射光譜及霍爾效應的測量，通過對測量結果的分析得到了以下主要結論： 1)通過對GaN光致發(fā)光特性的分析確定GaN材料的黃光發(fā)射起因于帶隙間雜質能級間的躍遷，是典型的DsAdP躍遷，即淺施主向深受主的躍遷。Be離子注入GaN增強黃光發(fā)射是缺陷復合體VGaBei貢獻

4、的結果，該復合體在GaN帶隙中引入了深受主能級。 2)根據實驗是在n型GaN中實現(xiàn)的注入以及黃光帶是DsAdP躍遷的前提下，分別得到了關于施主和受主注入產生黃光發(fā)射的缺陷的濃度隨不同摻雜離子濃度的兩個變化關系式4.6和4.10。 3)Mg/Si離子共注的實驗結果表明與注入Mg的GaN藍光帶相關的深能級仍然是深受主能級，藍光發(fā)射也是淺施主向深受主的躍遷，淺施主是Mg間位Mgi，而深受主有兩種可能，或者是能級位于價帶之上0.

5、43eV的某一未知的缺陷；或者就是空間上與其分離的緊鄰氮空位VN的替位MgGa，即復合體MgGaVN。共注實驗結果表明施主Si與受主Mg共注GaN材料確實能夠增加受主Mg的溶解性。 4)對未注入GaN黃光發(fā)射負責的點缺陷(鎵空位及缺陷復合體)也同樣對紅光發(fā)射負責，只是由于其被不同種類的擴展缺陷所影響從而對發(fā)光帶的峰位產生了變化或者說能級發(fā)生了變化。 5)離子注入GaN的拉曼光譜中的298cm-1(R1)的散射峰是來自聲學

6、聲子貢獻的無序激活拉曼散射(DARS)，667cm-1(R3)散射峰則是來自光學聲子貢獻的結果。360cm-1(R2)散射峰強度隨注入離子的種類、劑量以及退火溫度的變化而變化，它是簡單缺陷譬如空位和間隙原子等貢獻的結果而不是復雜缺陷，并且極有可能是氮空位相關的缺陷引起的。 6)不同種類離子注入都會使GaN薄膜產生壓應力，壓應力的大小與注入離子的劑量的依賴并不明顯；離子注入產生的缺陷譬如空位和間位等以及注入離子與要取代的GaN主晶

7、格位置的Ga或N原子所具有的原子尺寸的差別都會影響應力的大小，實驗結果顯示前者在離子注入GaN的實驗中起著決定性的作用。 7)由于在注入過程中產生大量的點缺陷或簡單的缺陷絡合物，形成電子和空穴的深層陷阱，阻止電子和空穴的流動，從而造成電阻值隨離子注入劑量的增加而升高。高劑量的受主注入能夠產生高的阻抗，其在高溫退火后依然存在，具有一定的實用價值。 8)Be離子在低劑量(1013cm-2)注入GaN后主要還是以間位施主Bei