氮化鎵表面原子吸附行為及其外延生長和發(fā)光性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，隨著材料制備技術(shù)和器件設(shè)計水平的進(jìn)步，被稱之為第三代半導(dǎo)體材料的寬帶隙半導(dǎo)體的研究迅速發(fā)展起來，其中氮化鎵（GaN）及其III 族氮化物半導(dǎo)體材料的相關(guān)研究最為廣泛。由于III 族氮化物在短波長光電子器件和高頻大功率電子器件方面廣泛的應(yīng)用前景，世界各國政府有關(guān)機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)、以及風(fēng)險投資公司紛紛加大了對氮化鎵基半導(dǎo)體材料及其器件的研發(fā)投入和支持。作為新型光顯示、光存儲、光照明、光探測器件，氮化鎵器件的廣泛應(yīng)用預(yù)示著光電信息乃至光

2、子信息時代的來臨。本文主要圍繞氮化鎵及其III 族氮化物材料，對其外延生長表面化學(xué)吸附、外延生長技術(shù)以及材料和量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行研究。
　　 本文首先使用基于密度泛函理論的第一性原理計算程序CPMD （Car-ParrinelloMolecular Dynamics）對III 族氮化物外延生長表面原子吸附進(jìn)行了計算和分析。討論了外延原子在襯底表面不同位置的吸附情況，以及不同生長面原子對吸附原子吸附能的影響。在此基礎(chǔ)上，計算

3、并分析了生長晶面的極性和生長晶面雙軸應(yīng)變狀態(tài)對外延原子吸附能的影響。結(jié)果表明，隨著鎵原子在生長表面覆蓋率的增大，鎵原子在氮極性氮化鎵的穩(wěn)定性低于鎵極性氮化鎵，這使得鎵極性的氮化鎵的化學(xué)穩(wěn)定性高于氮極性的氮化鎵。另外，在應(yīng)變狀態(tài)下，銦原子的吸附生長對襯底極性的敏感程度非常大，不同極性的襯底生長出來的結(jié)果差距將會非常大，其次是鎵原子和鎂原子，而硅原子和鋁原子則相對于其他吸附原子而言不同襯底極性下生長出來的結(jié)果差異較小。當(dāng)合成三元化合物或進(jìn)行

4、摻雜時，存在不同原子之間在同一個吸附位的競爭吸附，壓應(yīng)變狀態(tài)下吸附原子的吸附能變化幅度較大，而張應(yīng)變狀態(tài)下吸附原子的吸附能變化幅度則相對較小。因此，相對于張應(yīng)變狀態(tài)，壓應(yīng)變對氮化鎵基外延生長的影響較大。
　　 隨后，在理論計算研究的基礎(chǔ)上，本文通過AIXTRON 公司的Thomas SwanMOCVD 設(shè)備研究了氮化鎵材料外延制備和氮化鎵材料的p 型摻雜。通過實驗分析V/III 摩爾比對氮化鎵材料生長速率和生長晶體質(zhì)量的影響，綜

5、合生長速率和生長晶體質(zhì)量兩個因素，當(dāng)?shù)壨庋由L溫度1050℃時，本實驗設(shè)備的最佳V/III 摩爾比值為1000～1500。通過四種不同生長溫度的氮化鎵薄膜對比，研究了氮化鎵薄膜晶體質(zhì)量隨生長溫度變化的規(guī)律。結(jié)果表明，隨著生長溫度變高，氮化鎵外延晶體垂直薄膜面缺陷密度單調(diào)降低，平行薄膜面缺陷密度先降低后升高。這導(dǎo)致更高溫度下生長的氮化鎵晶體質(zhì)量變差。通過分析不同晶體質(zhì)量氮化鎵外延薄膜的光致熒光光譜，研究了內(nèi)部缺陷對黃光發(fā)光帶的貢獻(xiàn)。氮

6、化鎵材料中螺型位錯主要影響黃光發(fā)光帶，而刃型位錯則主要影響帶邊峰。通過構(gòu)建不同厚度的緩沖層和電子勢壘層，研究了緩沖層背景電子濃度對p 型氮化鎵材料空穴濃度的影響，結(jié)果表明抑制背景電子濃度能有效提高p 型氮化鎵摻雜效果，并且p 型勢壘層的存在能提高p 型氮化鎵材料的空穴濃度。
　　 最后在氮化鎵外延生長工藝、材料發(fā)光性質(zhì)以及氮化鎵p 型摻雜的研究基礎(chǔ)上，本文研究了氮化銦鎵多量子阱發(fā)光性質(zhì)。通過光致熒光光譜研究了氮化銦鎵多量子阱的不

7、同結(jié)構(gòu)對發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光波長的影響，并通過深入分析極化電場在這些影響中的作用，研究了量子阱局限效應(yīng)對氮化銦鎵多量子阱發(fā)光的影響。結(jié)果表明，增大阱層厚度使得激發(fā)光波形峰值波長發(fā)生較大紅移，同時發(fā)光光強(qiáng)大幅降低，減小阱層厚度則使得激發(fā)光波形峰值波長發(fā)生較小藍(lán)移，同時發(fā)光光強(qiáng)急劇增大。通過提高阱層兩邊的壘層高度，可以增強(qiáng)了量子局限效應(yīng)，提高電子空穴復(fù)合效率。通過改變注入電流大小研究了氮化銦鎵基量子阱電致發(fā)光光譜隨注入電流大小的變化情況，結(jié)果表明