三族氮化物极化工程在光电器件和隧穿器件的应用

摘要

由于纤锌矿结构的三族氮化物具有较强的离子性且缺乏反演对称性，它们表现出很强的自发极化和压电极化，是一种极化特性和半导体特性兼有的功能材料。近年来国内外的相关研究表明，极化效应在三族氮化物中扮演着双面角色，既有其负面影响也有其正面作用。如何正确地理解和合理地运用三族氮化物中的极化场，扬其长避其短，这将是一项十分有意义的课题。本论文根据三族氮化物的极化现象和极化理论，围绕三族氮化物极化场和极化效应的性质和特点，从极化调控、极化诱导、极化反转三个方面出发，研究了极化工程在三族氮化物发光器件和隧穿器件上的应用。本论文所做的工作如下:
　　(1)研究了Al2O3衬底和6H-SiC衬底上GaN外延层的应力大小、类型和来源情况。研究发现，衬底和GaN之间的热膨胀系数失配是决定GaN外延层应力类型的主要来源。在Al2O3衬底上外延的GaN受到压应力，在6H-SiC衬底上外延的GaN受到张应力，两种衬底引起的应力大小都在GPa水平。在相近的应力大小下，由于应力类型和缓冲层技术的不同，Al2O3衬底上的处于压应变的GaN外延层的晶体质量和光学特性要优于6H-SiC衬底上处于张应变的GaN外延层。由于Al2O3衬底上GaN外延层的压应力会与多量子阱中InGaN势阱的压应力相互叠加，共同引起多量子阱中的压电极化场，故需要对这部分压应力加以调控以削弱其引起的量子限制斯塔克效应对LED的负面影响。
　　(2)基于极化调控工程思想，在InGaN/GaN多量子阱之前引入500nm的厚膜InGaN插入层，制备出发光波长为710nm红光LED。随着注入电流由20mA增加至100mA，红光LED的EL谱峰位蓝移量为13nm。研究表明，厚膜InGaN插入层既能释放Al2O3衬底引起的压应力又能削弱多量子阱中InGaN势阱和GaN势垒之间的应变场，从而降低LED电致发光峰位的蓝移量，实现调控多量子阱中压电极化场的目的。此外，InGaN插入层的引入还能降低LED的开启电压、提高芯片发光的均匀性、明显地延长LED的发光波长，这有利于发展GaN基的长波长LED。
　　(3)基于极化诱导工程思想，原创性地采用低铝组分的AlGaN材料在Al2O3衬底上通过金属有机物化学气相沉积制备出两种不同类型的隧穿结，即极化诱导正向负阻器件和极化诱导反向二极管。制备出的正向负阻器件在出现负阻现象时的峰值电压为3.67V(对应的峰值电流为22.4mA，峰谷比为9)，而反向二极管在反偏电压为1V时的电流密度达到3A·cm-2。通过自洽求解一维薛定谔-泊松方程的方法获得极化诱导隧穿结的能带和载流子分布情况，据此从理论上阐述极化诱导隧穿结在不同偏压下的工作机制。
　　(4)通过对比传统的极化正置InGaN/GaN多量子阱和极化反转InGaN/GaN多量子阱结构，系统地研究了二者在表面形貌、界面质量、发光性质及多量子阱杂质分布等方面的区别，阐述了极化反转多量子阱结构在发展长波长LED时面临的问题并提出解决这些问题的可行性方法。
　　(5)通过铟辅助生长的方法获得表面形貌平整、晶体质量优良、电学性质较好、厚度为1μm的厚膜p-GaN。提出一个铟吸附原子层演变模型来解释铟辅助生长法对p-GaN表面形貌、晶体质量、电学性质的影响机制。
　　(6)基于极化反转工程思想，将铟辅助生长p-GaN和极化诱导隧穿结这两项工作整合到极化反转长波长LED的研究中，制备出发光波长为510nm的绿光LED和发光波长为600nm的黄光LED。铟辅助生长p-GaN的引入明显地改善了多量子阱的界面质量。极化诱导隧穿结的引入显著地降低了极化反转绿光LED的正向导通电压，改善了p-GaN侧的电流扩展能力和注入能力。在大工作电压下极化反转绿光LED的蓝移量较小、发光波长较为稳定。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 GaN的基本性质

1．2．1 GaN的晶体结构

1．2．2 GaN的能带结构

1．2．3 GaN的物理性质

1．2．4 GaN的化学性质

1．3 三族氮化物的极化和极化效应

1．3．1 三族氮化物的自发极化

1．3．2 三族氮化物的压电极化

1．4 三族氮化物极化工程的国内外研究进展

1．4．1 三族氮化物极化调控工程的国内外研究进展

1．4．2 三族氮化物极化诱导工程的国内外研究进展

1．4．3 三族氮化物极化反转工程的国内外研究进展

1．5 本文主要研究思路与内容

2 三族氮化物薄膜和器件的外延方法、表征方法和理论仿真

2．1 引言

2．2 GaN的MOCVD生长原理

2．3 本论文使用的MOCVD系统介绍

2．3．1 Aixtron近耦合喷淋头式MOCVD系统简介

2．3．2 近耦合喷淋头式(CCS)反应室简介

2．4 本论文使用的薄膜和器件的表征方法

2．4．1 X射线衍射

2．4．2 光致发光谱

2．4．3 拉曼光谱

2．4．4 原子力显微镜

2．4．5 扫描电子显微镜

2．4．6 二次离子质谱

2．4．7 霍尔测试

2．4．8 其他表征方法

2．5 本论文使用的自洽求解一维薛定谔-泊松方程简介

2．5．1 理论模型

2．5．2 自洽求解的过程

2．6 本章小结

3 极化调控LED

3．1 引言

3．1．1 压电极化场对InGaN/GaN多量子阱的影响

3．1．2 InGaN单层生长面临的问题

3．2 Al2O3衬底和6H-SiC衬底上GaN外延层应力的研究

3．2．1 实验过程

3．2．2 衬底的不同对GaN应力类型与大小的影响

3．2．3 衬底的不同对GaN晶体质量的影响

3．2．4 衬底的不同对GaN表面形貌的影响

3．2．5 衬底的不同对GaN低温光学性质的影响及应力的计算

3．3 生长温度对InGaN单层的影响

3．3．1 实验过程

3．3．2 生长温度对InGaN铟组分及晶体质量的影响

3．3．3 生长温度对InGaN室温光学性质的影响

3．4 InGaN括入层对LED应变和极化场的影响

3．4．1 实验过程

3．4．2 InGaN插入层对外延层残余应力的影响

3．4．3 InGaN插入层对LED I-V特性的影响

3．4．4 InGaN插入层对InGaN/GaN多量子阱极化场的调控作用

3．5 本章小结

4 极化诱导隧穿器件

4．1 引言

4．1．1 量子隧穿的基本理论

4．1．2 AlGaN/GaN突变结极化电荷与隧穿的关系

4．2 极化诱导正向负阻器件

4．2．1 实验过程

4．2．2 极化诱导正向负阻器件的基本工作原理

4．2．3 极化诱导正向负阻器件的能带图和载流子分布

4．2．4 极化诱导正向负阻器件铝组分校准和表面形貌

4．2．5 极化诱导正向负阻器件的I-V特性

4．2．6 电处理对极化诱导正向负阻器件I-V特性的影响

4．3 极化诱导反向二极管

4．3．1 实验过程

4．3．2 极化诱导反向二极管的能带图和载流子分布

4．3．3 极化诱导反向二极管铝组分校准和表面形貌

4．3．4 极化诱导反向二极管的I-V特性

4．3．5 空穴补偿中心对极化诱导反向二极管I-V特性的影响

4．4 本章小结

5 极化反转LED

5．1 引言

5．2 极化反转对InGaN/GaN多量子阱性质的影响

5．2．1 实验过程

5．2．2 极化反转对InGaN/GaN多量子阱表面形貌的影响

5．2．3 极化反转对InGaN/GaN多量子阱界面质量的影响

5．2．4 极化反转对InGaN/GaN多量子阱发光性质的影响

5．3 p-GaN铟辅助生长

5．3．1 实验过程

5．3．2 铟辅助生长对p-GaN表面形貌的影响

5．3．3 铟辅助生长对p-GaN晶体质量的影响

5．3．4 铟辅助生长对p-GaN电学性质的影响

5．3．5 铟辅助生长对p-GaN影响的物理机制和模型

5．4 极化反转长波长PDLED的研究

5．4．1 实验过程

5．4．2 铟辅助生长p-GaN对PDLED多量子阱界面质量的影响

5．4．3 极化诱导隧穿结对PDLED正向导通电压的影响

5．4．4 极化反转对PDLED电致发光峰峰位的影响

5．4．5 极化反转黄光PDLED的电致发光

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．1．1 极化调控工程的结论

6．1．2 极化诱导工程的结论

6．1．3 极化反转工程的结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介