非极性AlGaN材料生长及探测器制备技术研究

摘要

AlGaN材料在室温下的禁带宽度范围为3.4～6.2 eV，它可用于制备紫外发光器件和紫外探测器。紫外探测器具有重要的应用价值，如保密通信、导弹预警、生化检测、火焰监测、电力设备监测、紫外环境监测、紫外光谱学和紫外天文学。就结构而言，紫外探测器包括p-n结二极管、p-i-n结二极管、肖特基势垒二极管和金属-半导体-金属(MSM)紫外探测器。由于MSM紫外探测器的制备工艺简单且可与场效应晶体管技术兼容，因此这种探测器引起了人们的极大关注。非极性a面AlGaN材料在生长方向上不存在极化电场且晶面内具有光学偏振的各向异性，这提高了材料的辐射复合效率和光学偏振敏感度。因此，非极性a面AlGaN材料可用于制备紫外偏振敏感探测器(UV-PSPDs)。UV-PSPDs可应用于固态光源、光学存储、生物光子学、偏振光探测和窄带光探测等领域。本论文利用金属有机化合物化学气相外延(MOCVD)技术分别在极性c面和半极性r面蓝宝石衬底上成功制备了极性c面AlGaN外延层、非极性a面GaN和AlGaN外延层。为了提高非极性a面GaN和AlGaN外延层的晶体质量，本论文系统地优化了外延层生长的工艺参数。而且，本论文分别详细地研究了Si掺杂和Mg掺杂对非极性a面GaN外延层、极性c面和非极性a面AlGaN外延层的结构、电学和光学性质的影响。本论文还分别定量地分析了极性c面AlN和AlGaN外延层的表面性质。另外，本论文初步研究了MSM结构的GaN基UV-PSPD。本论文的主要研究内容和取得的具体研究成果如下:
　　1.分别利用低温GaN和低温AlN成核层在半极性(1(1)02)r面蓝宝石衬底上生长了非极性(11(2)0)a面GaN外延层。采用优化的Ⅴ/Ⅲ比、TMGa流量和反应室压力显著地改善了非极性(11(2)0)a面GaN外延层的表面形貌和晶体质量。研究发现，AlGaN插入层，特别是Al组分渐变的AlGaN插入层有助于改善非极性(11(2)0)a面GaN外延层的表面形貌、晶体质量和晶体结构的各向异性。随着SiH4流量的升高，Si杂质的离化率将增大，导致Si掺杂非极性(11(2)0)a面GaN外延层在室温下的电子浓度增大。而较高的Si掺杂浓度有利于形成VGa，这将增强Si掺杂非极性(11(2)0)a面GaN外延层的黄带发光。此外，Mg掺杂将引起非极性(11(2)0)a面GaN外延层缺陷的增多，从而导致外延层的表面形貌劣化。虽然Mg掺杂几乎不影响非极性(11(2)0)a面GaN外延层沿c方向的晶体质量，但将降低外延层沿m方向的晶体质量，并增强外延层晶体结构的各向异性。
　　2.分别利用低温AlN成核层和高温AlN缓冲层技术在半极性(1(1)02)r面蓝宝石衬底上生长了非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层。对于非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层，提升高温AlN缓冲层的Ⅴ/Ⅲ比和减小AlGaN缓冲层的厚度可有效地改善外延层的表面形貌。由于AlGaN插入层可有效地抑制生长高温AlN缓冲层时所产生的位错密度，因此AlGaN插入层，特别是Al组分渐变AlGaN插入层可明显地改善非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层的晶体质量和晶体结构的各向异性。然而研究也发现，非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层的晶体质量和表面形貌并不是正相关的。
　　3.分别详细地研究了Si掺杂对极性(0001)c面和非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层结构、电学和光学性质的影响。非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层比极性(0001)c面AlGaN外延层具有更强的结构各向异性，因此Si掺杂更有利于释放非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层的残余压应力。Si掺杂有助于提高极性(0001)c面和非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层的晶体质量，这是由于Si掺杂增加了材料中位错相互作用和消失的机会。由于随着SiH4流量从0增加到40 sccm，AlGaN材料中因Si掺杂产生的类受主增多，并补偿了材料中的本征缺陷，因此极性(0001)c面和非极性(11(2)0)a面AlGaN外延层的蓝带发光将增强。另外，插入AlN缓冲层和Al组分渐变AlGaN层将显著地改善Mg掺杂极性(0001)c面AlGaN材料的表面形貌、晶体质量和电学性质。
　　4.利用角度分辨X射线光电子能谱技术分别定量地研究了极性(0001)c面AlN和AlGaN外延层的表面性质。暴露于空气中的极性(0001)c面AlN和AlGaN外延层的表面被氧化为Al和Ga的氧化物，而且暴露于空气中的具有较高Al组分的极性(0001)c面AlGaN外延层的表面存在更多的Al-O键，这是由于Al和O原子之间存在较大的化学亲和势。由于极性(0001)c面AlN外延层中的部分N原子被O原子取代，因此AlN外延层中存在N缺陷。随着Al组分的增大，极性(0001)c面AlGaN外延层的Ga俄歇效应被显著地抑制。Al原子比Ga原子更容易被氧化且具有更低的表面迁移率，因此，较高Al组分的极性(0001)c面AlGaN外延层比对应的低Al组分外延层的Al组分分布更不均匀。
　　5.利用MOCVD技术在极性(0001)c面蓝宝石衬底上生长了极性(0001)c面Al0.28Ga0.72N/Al0.45Ga0.55N多量子阱，并对其结构和光学性质进行了表征和分析。研究结果表明，极性(0001)c面Al0.28Ga0.72N/Al0.45Ga0.55N多量子阱在室温的内量子效率为18％。设计了AlInGaN多量子阱吸收区和倍增区分离的GaN基紫外探测器，这既可以提高探测器的量子效率和响应度，并自由调谐其截止波长，又能有效地降低其击穿电压阈值。利用MOCVD技术在半极性(1(1)02)r面蓝宝石衬底上生长的非极性(11(2)0)a面GaN外延层的基础上，制备了MSM结构的GaN基UV-PSPD，并对探测器的性能进行了表征和分析。研究结果表明，GaN基UV-PSPD在室温且偏压为10 V时光谱响应的峰值为0.31 mA/W。此外，GaN基UV-PSPD的偏振敏感度的最大值Smax=1.5。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 GaN基材料的特性

1．2．1 GaN基材料的晶体结构和能带结构

1．2．2 GaN基材料的禁带宽度

1．2．3 GaN基材料的极化效应

1．3 GaN基紫外探测器简介

1．4 非极性GaN基材料及紫外探测器研究现状

1．5 非极性GaN基材料及紫外探测器存在的主要问题

1．6 本论文的框架结构及主要内容

参考文献

第二章 MOCVD技术、GaN基材料及探测器表征方法

2．1 引言

2．2 GaN基材料的MOCVD技术

2．2．1 MOCVD系统

2．2．2 GaN基材料的MOCVD生长技术

2．2．3 生长条件对GaN基材料质量的影响

2．2．4 生长GaN基材料的衬底

2．3 GaN基材料的表征方法

2．3．1 紫外-可见分光光度计

2．3．2 光学显微镜

2．3．3 扫描电子显微镜

2．3．4 X射线能量色散谱

2．3．5 高分辨X射线衍射

2．3．6 霍尔效应测试

2．3．7 X射线光电子能谱

2．3．8 拉曼散射光谱

2．3．9 光致发光光谱

2．4 GaN基紫外探测器的表征方法

2．4．1 GaN基紫外探测器的性能参数

2．4．2 GaN基紫外探测器的性能测试

2．5 本章小结

参考文献

第三章 非极性GaN材料的外延生长及表征

3．1 引言

3．2 利用GaN成核层生长非极性a面GaN材料的研究

3．2．1 利用GaN成核层生长非极性a面GaN外延层

3．2．2 利用GaN成核层生长的非极性a面GaN外延层的性质研究

3．3 利用AlN缓冲层生长非极性a面GaN材料的研究

3．3．1 利用AlN缓冲层生长非极性a面GaN外延层

3．3．2 利用AlN缓冲层生长的非极性a面GaN外延层的性质研究

3．4 Si掺杂对非极性a面GaN材料性质的影响

3．4．1 Si掺杂非极性a面GaN外延层的生长

3．4．2 Si掺杂非极性a面GaN外延层性质的研究

3．5 Mg掺杂对非极性a面GaN材料性质的影响

3．5．1 Mg掺杂非极性a面GaN外延层的生长

3．5．2 Mg掺杂非极性a面GaN外延层性质的研究

3．6 本章小结

参考文献

第四章 非极性AlGaN材料的外延生长及表征

4．1 引言

4．2 利用低温AlN成核层生长非极性a面AlGaN材料及性质研究

4．2．1 利用低温AlN成核层生长非极性a面AlGaN材料

4．2．2 利用低温AlN成核层生长的非极性a面AlGaN材料的性质研究

4．3 利用高温AlN缓冲层生长非极性a面AlGaN材料及性质研究

4．3．1 利用高温AlN缓冲层生长非极性a面AlGaN材料

4．3．2 利用高温AlN缓冲层生长的非极性a面AlGaN材料的性质研究

4．4 利用AlGaN插入层生长非极性a面AlGaN材料及性质研究

4．4．1 利用AlGaN插入层生长非极性a面AlGaN材料

4．4．2 利用AlGaN插入层生长的非极性a面AlGaN材料的性质研究

4．5 本章小结

参考文献

第五章 非极性和极性AlGaN材料的掺杂及性质研究

5．1 引言

5．2 Si掺杂极性c面和非极性a面AlGaN材料的外延生长

5．3 Si掺杂对极性c面和非极性a面AlGaN材料性质的影响

5．3．1 Si掺杂AlGaN材料的极性和Al组分研究

5．3．2 Si掺杂对极性c面和非极性a面AlGaN材料应力的影响

5．3．3 Si掺杂对极性c面和非极性a面AlGaN材料表面形貌的影响

5．3．4 Si掺杂对极性c面和非极性a面AlGaN材料结构性质的影响

5．3．5 Si掺杂对极性c面和非极性a面AlGaN材料电学性质的影响

5．3．6 Si掺杂对极性c面和非极性a面AlGaN材料光学性质的影响

5．4 Mg掺杂极性C面AlGaN材料的生长及性质研究

5．4．1 Mg掺杂极性c面AlGaN材料的生长

5．4．2 Mg掺杂极性c面AlGaN材料的表征与分析

5．5 本章小结

参考文献

第六章 极性AlGaN材料的表面性质研究

6．1 引言

6．2 极性AlN和AlGaN材料的外延生长

6．3 ARXPS测试的原理

6．4 极性AlN和AlGaN材料的表面性质研究

6．4．1 极性AlN材料的表面性质研究

6．4．2 极性AlGaN材料的表面性质研究

6．5 不同Al组分极性AlGaN材料的外延生长

6．6 极性AlGaN材料的表面性质与Al组分的关系

6．6．1 极性AlGaN材料表面的元素分布与Al组分的关系

6．6．2 极性AlGaN材料的Ga俄歇效应与Al组分的关系

6．6．3 极性AlGaN材料的表面氧化过程与Al组分的关系

6．6．4 极性AlGaN材料的元素分布均匀性与Al组分的关系

6．7 本章小结

参考文献

第七章 GaN基紫外探测器的设计及制备技术

7．1 引言

7．2 极性c面AlGaN多量子阱的外延生长及性质研究

7．2．1 极性c面AlGaN多量子阱的外延生长

7．2．2 极性c面AlGaN多量子阱的性质研究

7．3 基于AlInGaN多量子阱结构的GaN基紫外探测器的设计

7．4 GaN基紫外偏振敏感探测器的制备及性能研究

7．4．1 GaN基紫外偏振敏感探测器的制备

7．4．2 GaN基紫外偏振敏感探测器的性能研究

7．5 本章小结

参考文献

第八章 总结与展望

8．1 论文总结

8．2 研究展望

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢