AlGaN/（Al）GaN量子阱结构的生长与物性研究

摘要

AlGaN/(Al)GaN多量子阱结构不仅可应用于紫外探测器、深紫外发光二极管,而且可利用量子阱内子带间跃迁制备量子阱红外探测器。本论文主要从如何提高AlGaN外延薄膜质量及AlGaN/GaN多量子阱的生长与物性等方面对AlGaN/(Al)GaN多量子阱结构进行了研究,旨在为后期制备出性能优异的量子阱红外探测器打下坚实的基础。 首先,本论文利用金属有机化学气相沉积方法在蓝宝石衬底上外延生长了一系列AlGaN薄膜,研究了不同生长因素对AlGaN材料质量的影响,发现提高Al的耦合效率可通过降低反应室气压、增加上下支路气流、降低NH3流量有效抑制预反应来实现。 其次本论文分别研究了AlO3/AlN/AlGaN及SiC/AlN/AlGaN这两种体系中AlGaN材料的生长,通过分析其表面形貌初步了解其生长机理。实验发现在Al2O3/AlN/AlGaN体系中,由于出现反向畴,不同极性AlN的生长速率不一样,导致具有混合极性的AlN外延层表面比较粗糙。而在SiC衬底上外延生长AlGaN由于不存在反向畴,其晶体质量及表面形貌明显改善,而且发现通过提高NH3流量可有效减小应力,提高AlGaN薄膜的质量。 最后本论文从物理原理上介绍了AlGaN/GaN量子阱红外探测器的工作原理及结构设计,详细阐述了六角结构的c面GaN基异质结材料中存在的固有自发极化和压电极化效应的起源,探索性地在蓝宝石衬底上外延了一系列表面平整、界面陡峭的多量子阱结构,研究了不同AlGaN/GaN量子阱宽度对光致发光光子能量的作用,揭示了极化效应和量子限制效应对量子阱子带间跃迁的影响。研究表明在设计AlGaN/GaN多量子阱结构时,应同时考虑极化效应及量子限制作用以得到合适的探测波长。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1引言

1.2本论文研究背景及发展状况

1.3本论文的主要内容

参考文献

2 Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料概述

2.1Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的基本物理特性

2.1.1Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的晶格结构和基本物理参数

2.1.2Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的能带结构

2.1.3三元氮化物半导体材料

2.2 GaN中的本征缺陷杂质

2.2.1GaN中的本征点缺陷

2.2.2GaN中的延展位错

2.2.3GaN中的杂质

2.3评测GaN基材料的手段

2.4本章小结

参考文献

3 MOCVD外延机理及设备介绍

3.1引言

3.2MOCVD反应及设备概述

3.3GaN的MOCVD生长

3.3.1源材料

3.3.2GaN的MOCVD生长工艺

3.4Aixtron 2400(G3)HT设备简介

参考文献

4 AlGaN材料外延中Al的耦合效率

4.1AlGaN的反应机理

4.2生长条件对Al耦合效率的影响

4.2.1气压对Al耦合效率的影响

4.2.2Ⅲ族流量对Al耦合效率的影响

4.2.3上、下支路气流对Al耦合效率的影响

4.2.4NH3流量对Al耦合效率的影响

4.3本章小结

参考文献

5不同体系上AlGaN材料的生长

5.1引言

5.2Al2O3/AlN/AlGaN体系中AlGaN薄膜的制备及研究

5.3SiC/AlN/AlGaN体系中A/GaN薄膜的制备及研究

5.3.1SiC/A/N上AlGaN薄膜的制备与表征

5.3.2SiC/AlN/AlGaN体系的研究与分析

5.4本章小结

参考文献

6 AlGaN/GaN多量子阱的生长与表征

6.1 AlGaN/GaN量子阱红外探测器的工作原理及结构设计

6.2极化效应

6.2.1极化效应

6.2.2极化效应对发光性能的影响

6.3AlGaN/GaN多量子阱的生长过程

6.4AlGaN/GaN多量子阱的性质表征

6.4.1样品的晶体结构(XRD)

6.4.2多量子阱的形貌(TEM)

6.4.3样品的表面形貌(AFM)

6.4.4多量子阱的发光性质(低温PL)

6.5本章小结

参考文献

结论与展望

致谢