非极性GaN材料的MOCVD生长及表征

摘要

氮化镓(GaN)材料具有直接宽禁带，化学性质稳定，熔点高(2300℃)等优点，在固态照明、太阳能电池、杀菌、激光器等方面有着广泛的应用。研究人员一般采用在极性c面蓝宝石衬底上外延生长[0001]GaN材料的方法。但是，极性面GaN基材料内部存在极化电场，导致量子限制斯塔克效应，而非极性GaN基材料则可以消除内建电场，克服电子和空穴在空间上分离的问题，提高内量子效率。本研究采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)的方法在r面蓝宝石衬底上生长非极性a面GaN薄膜，并进行了系统的材料性质研究。同时，在理论上分析了AlInGaN四元材料在非极性GaN基LED方面的应用。另外，本论文还研究了基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫兹波调制器，其对太赫兹波的最大调制频率可以达到11MHz。
　　本研究的主要研究内容和成果如下:
　　1.成功实现了低温GaN材料作为成核层的非极性a面GaN外延层的MOCVD生长。采用两步生长的方法在r面蓝宝石上得到高质量的a面GaN外延层。同时，详细研究了在a面GaN生长过程中Ⅴ/Ⅲ比、TMG流量和压力等参数对表面形貌和晶体质量的影响，并成功获得了Si掺杂的n型非极性a面GaN外延层。使用高分辨X射线衍射（HRXRD）、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL)、霍尔(Hall)效应测试仪等表征手段研究了Si掺杂对非极性a面GaN外延层的表面形貌、晶体质量和光学电学性质的影响。研究结果表明，经过Si掺杂，虽然材料的晶体质量和表面形貌出现了微小的劣化，但其迁移率则从9.15cm2/V·s上升到66.90cm2/V·s。
　　2.研究了AlN材料作为成核层的a面GaN外延层的MOCVD生长技术。采用高温-低温-高温AlN缓冲层的生长方法，同样可以得到单晶a面GaN外延层。并通过高温AlN脉冲生长、在高温AlN和GaN外延层之间插入Al组分渐变的AlGaN缓冲层等方法有效提了高晶体质量，表现在HRXRD的m方向摇摆曲线的半高宽降低了28％。
　　3.采用APSYS光电子器件分析软件对极性c面和非极性a面GaN基LED进行了模拟，并通过对能带结构、漏电流分布和内量子效率等进行的计算，分析了器件性能衰减的原因。本论文所做的理论模拟工作包括:(1).采用非极性Al0.089In0.018Ga0.893N/GaN量子阱有源区，成功消除了内建电场，并解决了GaN与AlGaN晶格失配的问题;(2).使用AlInGaN/GaN超晶格替代单层AlInGaN作为电子阻挡层，减小了器件的漏电流，并提高了空穴注入效率，从而提升了器件的内量子效率和光输出功率。
　　4.采用CST软件模拟研究了基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫兹波调制器。通过优化金属谐振环尺寸，最终获得中心响应频率为0.34Thz左右的调制器的模拟结果。另外还设计了一种具有多频响应特征的太赫兹调制器，并通过CST软件模拟了其性能。本论文还对制备的太赫兹波调制器进行了测试。通过改变栅-源电压大小可以控制高电子迁移率晶体管（HEMT)中二维电子气的浓度，从而改变调制器对太赫兹波的透过率。结果显示，在交流电压下，制备的太赫兹波调制器对太赫兹波呈现快速响应，其调制频率最高可以达到11MHz。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 GaN基材料的研究背景和意义

1．2 GaN基材料特性

1．2．1 结构特性

1．2．2 极化效应

1．3 非极性面GaN基材料简介

1．3．1 非极性面GaN基材料结构

1．3．2 非极性GaN基材料的优势

1．3．3 非极性面GaN基LED研究进展

1．3．4 非极性a面GaN基材料在r面蓝宝石上生长所存在的问题

1．4 本文主要研究内容及创新点

第二章 非极性Ⅲ族氮化物材料生长及表征

2．1 非极性Ⅲ族氮化物材料的MOCVD外延生长技术

2．2 非极性Ⅲ族氮化物材料的表征方法

2．2．1 高分辨X射线衍射仪(HRXRD)

2．2．2 光致发光(PL)谱

2．2．3 紫外可见分光光度计

2．2．4 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．5 霍尔(Hall)效应测试仪

2．3 本章小结

第三章 a面GaN基材料的生长研究

3．1 引言

3．2 以GaN材料作为成核层的a面GaN材料的生长研究

3．2．1 以GaN材料作为成核层的a面GaN材料的生长

3．2．2 样品表征与分析

3．2．3 a面GaN基材料的n型掺杂研究

3．3 以AIN作为成核层的a面GaN基材料的生长研究

3．3．1 AIN作为成核层的a面GaN材料的生长过程

3．3．2 AIN作为成核层的a面GaN材料表征结果与分析

3．3．3 AlGaN作为插入层的a面GaN材料的生长研究

3．3．4 AlGaN作为插入层的a面GaN材料表征与分析

3．4 本章小结

第四章 非极性a面GaN基LED中AllnGaN四元材料的应用

4．1 引言

4．2 APSYS仿真软件简介

4．3 理论模型

4．3．1 通过复合中心的间接(Shockley Read Hall，SHR)复合和俄歇复合

4．3．2 扩散-漂移(Diffusion-Drift，DD)模型

4．3．3 自发极化和压电极化

4．3．4 氮化镓基半导体材料的禁带宽度

4．4 AllnGaN四元材料在不同极性GaN基LED的应堵

4．4．1 建立模型与设置参数

4．4．2 GaN基LED的结构模拟分析

4．4．3 GaN基LED的结构创新与模拟

4．5 本章小结

第五章 基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫兹波调制器

5．1 结构与原理

5．2 太赫兹波调制器的模拟

5．2．1 中心响应频率为0．34THz的太赫兹波调制器的模拟结果

5．2．2 一种多频响应太赫兹波调制器

5．3 制备的太赫兹波调制器的实验结果与分析

5．3．1 栅极电压对2DEG浓度的影响

5．3．2 直流偏压下对太赫兹波的幅度调制

5．3．3 交流电压下对太赫兹波的高频调制

5．4 本章小结

总结与展望

全文工作总结

未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果