離子注入GaN的光學(xué)和電學(xué)特性研究.pdf

1、寬帶隙半導(dǎo)體材料——GaN，由于其優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在短波區(qū)發(fā)光器件、極端條件(譬如輻射環(huán)境)器件等領(lǐng)域有著重要和廣泛的應(yīng)用潛力和良好的市場(chǎng)前景。故而，對(duì)于GaN材料摻雜研究成為目前半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。作為常用的器件處理工藝，離子注入是一種有效的摻雜方式。由于離子注入對(duì)GaN材料的光學(xué)和電學(xué)特性有著較大的影響，同時(shí)對(duì)于GaN的不同發(fā)光帶的發(fā)光機(jī)理還沒(méi)有明確統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，所以本工作重點(diǎn)對(duì)離子注入GaN材料光學(xué)特性的影響進(jìn)行

2、了研究，并對(duì)離子注入GaN材料的電學(xué)特性的影響以及不同離子注入絕緣的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。值得一提的是實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)離子共注GaN技術(shù)進(jìn)行了初步的探討。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的注入方法為單離子注入(Be、Mg、Al、Si)和雙離子混合注入(Mg+Be、Mg+Si)。其中單離子的劑量分別為：1013、1014、1015、1016/cm2：雙離子的注入劑量為：1013、1014、1015/cm2(Mg+Be)和1013、1014、1015、10

3、16/cm2(Mg+Si)，注入是在室溫的條件下進(jìn)行的。注入后的樣品在950℃的流動(dòng)氮?dú)獾沫h(huán)境下進(jìn)行熱退火，退火時(shí)間為30分鐘。對(duì)退火前后的樣品分別進(jìn)行室溫光致發(fā)光、拉曼散射光譜及霍爾效應(yīng)的測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析得到了以下主要結(jié)論： 1)通過(guò)對(duì)GaN光致發(fā)光特性的分析確定GaN材料的黃光發(fā)射起因于帶隙間雜質(zhì)能級(jí)間的躍遷，是典型的DsAdP躍遷，即淺施主向深受主的躍遷。Be離子注入GaN增強(qiáng)黃光發(fā)射是缺陷復(fù)合體VGaBei貢獻(xiàn)

4、的結(jié)果，該復(fù)合體在GaN帶隙中引入了深受主能級(jí)。 2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)是在n型GaN中實(shí)現(xiàn)的注入以及黃光帶是DsAdP躍遷的前提下，分別得到了關(guān)于施主和受主注入產(chǎn)生黃光發(fā)射的缺陷的濃度隨不同摻雜離子濃度的兩個(gè)變化關(guān)系式4.6和4.10。 3)Mg/Si離子共注的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與注入Mg的GaN藍(lán)光帶相關(guān)的深能級(jí)仍然是深受主能級(jí)，藍(lán)光發(fā)射也是淺施主向深受主的躍遷，淺施主是Mg間位Mgi，而深受主有兩種可能，或者是能級(jí)位于價(jià)帶之上0.

5、43eV的某一未知的缺陷；或者就是空間上與其分離的緊鄰氮空位VN的替位MgGa，即復(fù)合體MgGaVN。共注實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明施主Si與受主Mg共注GaN材料確實(shí)能夠增加受主Mg的溶解性。 4)對(duì)未注入GaN黃光發(fā)射負(fù)責(zé)的點(diǎn)缺陷(鎵空位及缺陷復(fù)合體)也同樣對(duì)紅光發(fā)射負(fù)責(zé)，只是由于其被不同種類的擴(kuò)展缺陷所影響從而對(duì)發(fā)光帶的峰位產(chǎn)生了變化或者說(shuō)能級(jí)發(fā)生了變化。 5)離子注入GaN的拉曼光譜中的298cm-1(R1)的散射峰是來(lái)自聲學(xué)

6、聲子貢獻(xiàn)的無(wú)序激活拉曼散射(DARS)，667cm-1(R3)散射峰則是來(lái)自光學(xué)聲子貢獻(xiàn)的結(jié)果。360cm-1(R2)散射峰強(qiáng)度隨注入離子的種類、劑量以及退火溫度的變化而變化，它是簡(jiǎn)單缺陷譬如空位和間隙原子等貢獻(xiàn)的結(jié)果而不是復(fù)雜缺陷，并且極有可能是氮空位相關(guān)的缺陷引起的。 6)不同種類離子注入都會(huì)使GaN薄膜產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力的大小與注入離子的劑量的依賴并不明顯；離子注入產(chǎn)生的缺陷譬如空位和間位等以及注入離子與要取代的GaN主晶

7、格位置的Ga或N原子所具有的原子尺寸的差別都會(huì)影響應(yīng)力的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示前者在離子注入GaN的實(shí)驗(yàn)中起著決定性的作用。 7)由于在注入過(guò)程中產(chǎn)生大量的點(diǎn)缺陷或簡(jiǎn)單的缺陷絡(luò)合物，形成電子和空穴的深層陷阱，阻止電子和空穴的流動(dòng)，從而造成電阻值隨離子注入劑量的增加而升高。高劑量的受主注入能夠產(chǎn)生高的阻抗，其在高溫退火后依然存在，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 8)Be離子在低劑量(1013cm-2)注入GaN后主要還是以間位施主Bei