C注入、及C+Si和C+Mg共注n型GaN发光性质的研究

摘要

GaN薄膜是一种具有优良物理和化学特性的宽带隙半导体材料，本论文对其生长、器件制备和内部点缺陷的形成能和跃迁能级等进行了系统的调研。C是GaN中常见的一种残留杂质，也经常被作为一种p型掺杂物被有意的掺入GaN中。它对GaN的光学和电学性质都有着重要的影响。本论文研究了单C离子注入，以及C+Si和C+Mg双离子共注对非有意掺杂n型GaN发光性质的影响。 根据黄光发射强度的不同，本实验中使用的未注入的GaN样品被分为有黄光发射(＃1)、有强黄光发射(＃2)和无黄光发射(＃3)三种不同的类型。单C离子注入的剂量范围在1013～1017cm-2，C+Si和C+Mg双离子共注的剂量范围在1013～1016cm-2。样品注入后在流动N2的保护下进行了退火，退火温度为950℃，退火时间为30min。通过被注入样品在退火前后的室温光致发光谱和微区Raman谱的测量和分析，我们主要研究了单C离子注入对GaN黄光发射和带边峰发射的影响，以及C+Si和C+Mg双离子共注对GaN黄光发射和红光发射的影响，并对以上三种发光带(黄光带、红光带和带边峰发射)的成因进行了合理的推断和解释。 单C离子注入的实验结果表明，对于原本无黄光发射的＃3型GaN，C注入可以有效地产生GaN的黄光发射。而对于原本有黄光发射的＃1和＃2型GaN，C注入使得原黄光发射的强度大为降低。Ci或Ci-CN复合体被认为是除VGa和VGa-ON复合体外，另一种与GaN黄光发射有关的深能级中心。在1013～1016cm-2剂量范围内，＃1，＃2，和＃3型GaN的黄光发射强度随注入剂量的增大而减小，而当C离子注入剂量达到1017cm-2时，由于注入损伤的加重，GaN中Ci或Ci-CN复合体的浓度会显著增大，＃1，＃2，和＃3型GaN的黄光发射强度都表现出一个明显的反弹。 对于GaN的带边峰发射，根据其峰位随C离子注入剂量的增加逐渐向高能方向偏移的实验结果，我们推断该发射带是由束缚在浅施主(VN)能级上的束缚激子跃迁和浅施主到浅受主间跃迁(DAP)的谱线重叠而成。GaN带边峰峰位的偏移被认为是由于不同离子注入剂量下；VN浓度的不同造成的。 另外，通过对比＃1和＃2型GaN的黄光峰和带边峰发射强度随C离子注入剂量的变化，我们发现离子注入对黄光发射的减弱要比对带边峰发射的减弱大得多，并将此归因于在离子注入过程中GaN表面对与黄光发射相关的点缺陷具有很强的吸附作用，并且这种吸附作用会随着离子注入深度的增加而减弱。 C+Si和C+Mg双离子共注GaN的研究表明，Mg离子注入对n型GaN的黄光发射有抑制作用。而深受主VGa或VGa-ON复合体被认为与GaN红光发射有关。当C掺杂的浓度增大，越来越多的C开始形成CGa时，GaN中的红光发射明显减弱。因此在高注入剂量下(≥1015cm2)，C杂质对GaN的红光发射有抑制作用。

目录

声明

摘要

第一章前言

§1.1 GaN基本性质

§1.2 GaN生长研究

一卤化物气相外延(HVPE)技术

二金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术

三分子束外延(MBE)技术

四两步法生长技术

五选区外延生长(Selective Area Epitaxial Growth)

六悬空外延(Pendeo-epitaxy)技术

§1.3 GaN器件研究

一电子器件

二光电子器件

§1.4论文选题依据

第二章GaN中的缺陷

§2.1理论方法

§2.2本征点缺陷

§2.3杂质缺陷

§2.4复合体缺陷

§2.5 C杂质缺陷

§2.6 GaN中的辐射跃迁类型

第三章离子注入和退火

§3.1离子注入的射程和射程分布理论

一射程概念和射程的均方偏差

二注入离子在靶中的浓度分布

三单晶靶中的射程分布

§3.2离子注入损伤

§3.3退火理论

一点缺陷的迁移和动力学退火

二热退火理论

第四章实验方法、分析及结论

§4.1实验方法

一GaN样品的准备和处理

二离子注入

三退火

四光致发光谱的测量

五微区Raman散射光谱的测量

§4.2 C离子注入GaN的研究

一C离子注入GaN光致发光谱的研究

二C离子注入GaN微区Raman散射光谱的研究

§4.3 C+Si和C+Mg共注GaN的研究

一离子共注GaN黄光发射的研究

二离子共注GaN红光(RL)发射的研究

§4.4论文总结

§4.5未来工作展望

参考文献

博士期间发表的文章

致谢