InN与InGaN薄膜材料的光学特性研究

摘要

随着人类社会进入信息化社会，信息量飞速增长。为适应生活的需求以及时代的要求，以半导体为代表的材料和器件迅速发展，遍及人类生活的各个领域。InN与InGaN材料因其带隙随In组分x变化从0.7到3.4 eV连续可调，其对应的吸收光谱的波长从紫外部分(365 nm)可以一直延伸到近红外部分(1770 nm)，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，这为设计新型太阳能电池、超高亮度发光二极管(LED)以及全彩显示提供了极大的可能，所以InN与InGaN材料近年来逐渐成为研究的热点。由于薄膜的光学常数（如折射率、吸收系数、色散关系等）是描述固体的独立光学常数，是确定和描述其他物理量的基础，并且高性能的光电子器件的设计与制造需要掌握材料的光学特性，其中薄膜材料的折射率在波导、探测器和光子器件等器件的实际应用中是必不可少的参量。因此，得到InxGa1-xN材料的色散关系对InxGa1-xN基器件的设计会起到至关重要的作用。但是目前高质量的InN与InGaN材料生长还面临许多困难，InN与InGaN材料的特性相对于其他三族氮化物还知之甚少。在样品制备与实验测试之前，本文先利用第一性原理计算，对InN材料的色散关系进行了模拟，这为之后的椭偏模拟计算提供了基础。同时本文使用MOCVD设备在蓝宝石上生长了GaN厚层，并在此基础上用脉冲法在GaN外延层上分别生长了InN与InGaN薄膜。随后采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、分光光度计以及椭圆偏振光谱仪对样品进行了结构、晶体质量与光学特性的研究。在分析椭圆偏振光谱信息时，采用椭圆偏振光谱仪配套的Delta Psi2软件进行拟合，通过不断更新初值，利用最小二乘法逐渐逼近材料的真实色散关系。相关椭偏拟合得到的样品薄膜厚度与扫描电子显微镜、及样品监控曲线估算的厚度结果一致，表明模拟结果是可靠的。最终得到InN与InGaN薄膜的带隙Eg及色散公式，得到了InN与InGaN材料在可见、近红外波段的色散关系曲线，相应研究成果对InN与InGaN薄膜的应用开发具有指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 InN及InGaN材料的发展和应用

1．3 制约InxGa1-xN基器件发展的技术难题

1．4 论文框架

参考文献

第二章 实验设备与模拟方法介绍

2．1 生长及测试设备

2．2 Delta Psi2软件

2．3 本章小结

参考文献

第三章 InN材料第一性原理计算

3．1 第一性原理

3．2 InN材料第一性原理计算模型构建

3．3 InN材料第一性原理计算结果

3．4 本章小结

参考文献

第四章 InN薄膜材料特性研究

4．1 InN样品制备

4．2 SEM、XRD、吸收光谱测试结果

4．3 椭偏光谱测试与拟合

4．4 本章小结

参考文献

第五章 InGaN薄膜材料特性研究

5．1 InGaN样品制备

5．2 SEM、XRD、吸收光谱测试结果

5．3 椭偏光谱测试与拟合

5．4 本章小结

总结和展望

附录 硕士期间发表论文情况

致谢