【摘要】：自上世紀50年代,以硅(Si)為代表的第一代半導體(元素半導體)材料開始興起并廣泛應(yīng)用。它取代了笨重的電子管,促進了以集成電路為核心的微電子工業(yè)和整個IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,使人類進入“Si時代”。隨著半導體行業(yè)的發(fā)展,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導體(化合物半導體)材料興起于上個世紀90年代。相對于第一代半導體材料,第二代半導體材料具有較高的電子遷移率及較大的禁帶寬度,能夠滿足人們在高頻和無線通信等領(lǐng)域的需求。隨后,以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體(寬禁帶半導體)材料開始受到人們的廣泛關(guān)注,并大規(guī)模應(yīng)用于微電子器件和光電子器件等領(lǐng)域。尤其是GaN基半導體材料,已成為半導體領(lǐng)域研究和開發(fā)的新熱點。GaN基半導體材料的應(yīng)用主要集中在以下兩個方面:(i)用于制備高電子遷移率晶體管(High-electron-mobility transistor,HEMT),應(yīng)用于無線通信基站、衛(wèi)星、雷達、汽車電子、航空航天、核工業(yè)、軍用電子等國民經(jīng)濟和國防建設(shè)領(lǐng)域中;(ii)用于制備發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED),應(yīng)用于固態(tài)照明、背光源、顯示屏等諸多領(lǐng)域。隨著材料生長技術(shù)的發(fā)展,尤其是金屬有機化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition,MOCVD)外延技術(shù)的發(fā)展,使得制備高質(zhì)量的GaN基半導體材料成為可能。盡管如此,GaN基半導體材料及相關(guān)器件的光電特性依然存在諸多問題。如,GaN基HEMT存在緩沖層漏電流(buffer leakage current BLC)、電流崩塌效應(yīng)等問題;GaN基LED存在大電流下效率低、黃綠光LED生長困難等問題。這些都與GaN基半導體材料的缺陷、應(yīng)力及載流子的輸運機制有關(guān)。因此,深入研究并探討上述結(jié)構(gòu)或器件中的缺陷的起源和分布,闡明載流子的產(chǎn)生(注入)、輸運和復(fù)合機制,對進一步優(yōu)化材料生長條件、提高器件的光電特性至關(guān)重要。光譜表征手段是不可或缺的半導體表征手段,具有靈敏度高、無損傷等優(yōu)點,能夠表征半導體材料合金的組分含量、雜質(zhì)缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷的類型以及內(nèi)部載流子的產(chǎn)生(注入)、輸運和復(fù)合機制等。本論文以光譜表征手段為主,輔以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)、透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)、霍爾(Hall)測試、I-V 測試等表征手段,研究了 GaN基HEMT和LED結(jié)構(gòu)的光電特性。主要研究工作總結(jié)如下:(一)GaN外延層的光致發(fā)光(photoluminescence,PL)特性本研究采用MOCVD的方法在藍寶石襯底上制備了 GaN外延層,并利用PL測試詳細分析了 GaN外延層的光學性質(zhì)。我們觀察探討了各發(fā)光峰的起源,包括與近帶邊(near band eage,NBE)相關(guān)的發(fā)光峰,如自由激子的基態(tài)發(fā)光峰(FXA)、第一激發(fā)態(tài)發(fā)光峰(FXB),以及與缺陷相關(guān)的輻射峰,如紫外發(fā)光峰(ultraviolet luminescence,UVL)、藍光帶(blue luminescence,BL)、黃光帶(yellow luminescence,YL)。(二)氮化鋁(AlN)壘層厚度對AlN/GaN HEMT的光電特性的影響通過HRTEM,AFM,PL和Hall測試研究了 AlN壘層厚度對AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面形貌、材料質(zhì)量以及光電特性的影響。測試結(jié)果顯示,相對于具有3 nm厚的AlN壘層的樣品,AlN壘層厚度為6 nm的樣品有以下特點:Pit或Crack的密度更大且更深、缺陷相關(guān)的紫外發(fā)光峰(ultraviolet luminescence,UVL)強度更強、NBE發(fā)光峰強度更弱且峰位紅移、2DEG的濃度更大以及遷移率更小。研究結(jié)果表明,當AlN壘層厚度從3 nm增加到6 nm時,應(yīng)力開始釋放,在AlN/GaN HEMT的表面形成更多的Pit或Crack,這些Pit或Crack會從AlN/GaN HEMT的表面往下傳播(沿著生長方向的反方向),甚至穿過界面到達GaN溝道層,降低了 AlN/GaN HEMT的結(jié)晶質(zhì)量,導致與UVL相關(guān)的缺陷濃度的增加。盡管AlN壘層厚度增加能夠引起2DEG濃度增加,但是界面質(zhì)量變差導致的界面粗糙散射增強對GaN基HEMT的電學特性影響更大。(三)鐵(Fe)摻雜濃度對AlGaN/GaNHEMT的光電特性的影響首先,利用MOCVD的方法在藍寶石襯底上外延生長了不同摻Fe濃度的AlGaN/GaNHEMT,摻 Fe濃度分別為:0、1×1018和2×1020cm-3。其次,通過PL、Hall測試和I-V測試等表征手段,研究了 Fe摻雜濃度對AlGaN/GaN HEMT的光電特性的影響。研究結(jié)果顯示,與不摻Fe的AlGaN/GaN HEMT樣品相比,適當摻Fe的AlGaN/GaN HEMT樣品(l×lO18 cm-3)會引入FeGa受主能級,使費米能級向下移動。這導致了 PL譜中YL強度的減小及一個新的發(fā)光峰的出現(xiàn)—紅外(infrared,IR)發(fā)光峰。此外,還導致了 I-V測試中BLC的減小。當GaN緩沖層摻入過量的Fe原子(2×1020)c3)后,由于Fe源不純凈,能夠在GaN緩沖層中引入大量的氧(O)雜質(zhì),O在GaN緩沖層中作為施主電離出自由電子,使費米能級上移,同時FeGa3+捕獲電子導致FeGa3+濃度降低。最終,導致PL譜中YL強度增加和IR發(fā)光峰強度降低以及I-V曲線中的BLC增加。通過研究PL特性和I-V特性的內(nèi)部機制,為進一步通過光學測量手段分析GaN基HEMT自由載流子的內(nèi)部機制,提供了簡單而有效的方法。(四)低溫(low-temperature,LT)p-GaN插入層對GaN基藍光的光電特性的影響利用MOCVD的方法在藍寶石襯底上外延生長了兩個GaN基藍光LED樣品(有和無LT p-GaN插入層),并分別測試了不同溫度(6-300 K)和不同功率下兩樣品的PL和電致發(fā)光(electroluminescence,EL)譜,研究了 LTp-GaN插入層對GaN基藍光LED的光電特性的影響。測試結(jié)果顯示,兩樣品的PL特性基本相同,但是其EL特性差別較大。相對于有LT p-GaN插入層的GaN基藍光LED樣品,沒有LT p-GaN插入層的GaN基藍光LED樣品的EL峰位明顯紅移,且伴隨著強度和線寬的增加。同時,有LT p-GaN插入層的GaN基藍光LED樣品的量子限制斯塔克效應(yīng)(quantum confined Stark effect,QCSE)的屏蔽效應(yīng)減弱,但是峰位“S-形”的溫度依賴性變化趨勢更顯著,此外,有LT p-GaN插入層的GaN基藍光LED樣品的外量子效率(external quantum efficiency,EQE)明顯提高,尤其是在大的注入電流下,效率下垂(efficiency droop)得到6%的改善。通過對以上實驗結(jié)果的分析,我們發(fā)現(xiàn)LT p-GaN插入層的導入能夠提高GaN基藍光LED光電特性的,主要原因包括:(ⅰ)阻止生長p-AIGaN電子阻擋層時的高溫對MQWs的破壞(主要指最后一個阱層),從而防止InGaN阱層的In揮發(fā),提高了 InGaN阱層的局域效應(yīng);(ⅱ)減少MQWs中的應(yīng)力,降低QCSE,從而增大了電子-空穴的波函數(shù)交疊;(ⅲ)阻斷來自底層的結(jié)構(gòu)缺陷向上傳播,提高后續(xù)生長的p-AlGaN電子阻擋層和p-GaN接觸層的結(jié)晶質(zhì)量。(五)研究了 GaN基綠光LED的光電特性。首先,利用MOCVD的方法在Si襯底上外延生長了 GaN基綠光LED樣品,其次,測試了不同溫度和不同注入電流下樣品的EL特性,研究了 GaN基綠光LED樣品的光電特性。研究結(jié)果表明,在較低的注入電流范圍內(nèi),增加溫度能影響EL譜的注入電流依賴性。在低溫范圍內(nèi),如6 K,隨注入電流的增加,MQWs的輻射過程中,低能局域態(tài)填充先起支配作用;當溫度升高至中間溫度時,如160 K,在低注入電流范圍內(nèi)隨著注入電流的增加,輻射過程先后受到QCSE的屏蔽效應(yīng)和低能局域態(tài)填充效應(yīng)的支配;但是當溫度升高至高溫范圍內(nèi),如350 K,隨注入電流的增加,輻射過程先受到散射效應(yīng)的支配,隨后受非輻射復(fù)合效應(yīng)的支配。同時,與GaN基藍光LED相比,GaN基綠光LED的峰位隨溫度依賴性沒有觀察到明顯的“S-形”變化趨勢。上述EL譜的行為說明了 GaN基綠光LED具有較強的局域效應(yīng)。此外,不同溫度下EQE的注入電流依賴性的測試結(jié)果顯示,隨著溫度的增加,尤其當溫度超過300 K時,非輻射復(fù)合和電子的溢出越來越顯著。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN304
【圖文】：

１－１－１半導體的概念逡逑自然界中的物質(zhì)具有多樣性，如果以存在的形式分類，可以分為固體、液體、氣逡逑體、等離子體等。有時需要以其導電性能進行分類，如圖１－１所示。玻璃、陶瓷、塑逡逑料等都不導電，被稱為絕緣體；而鐵（Ｆｅ）、鋁（Ａ１）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）逡逑等導電性能良好，被稱為導體。然而自然界中還存在另一類物質(zhì)，它們的導電性能介逡逑于導體和絕緣體之間，如單晶硅（Ｓｉ）、鍺（Ｇｅ）等，我們把這類材料稱為半導體。逡逑相對于導體和絕緣體，半導體的發(fā)現(xiàn)時間較晚，直到１９１１年，“半導體”這個詞才逡逑被考尼白格和維斯首次使用。逡逑／邐邐逡逑銀銅鋁炭酸堿鹽地濕鍺硅氮汽干干玻橡陶逡逑筆浴浴水表木邐化油紙布璃膠瓷逡逑液液邐鎵逡逑Ｉ邐ｕ邐Ｍ邋？邐）１邐？邐Ｉ逡逑１邐１邐ｒ逡逑導邐ｉ邐筍逡逑\邐緣逡逑體邐體邐體逡逑圖ｉ－ｉ部分物質(zhì)按照導電性能分類的示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋ａｃｃｏｒｄｉｎｇ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ邋ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ逡逑導體之所以導電，是因為導體中存在的電子在外加電場的作用下做定向運動的結(jié)逡逑果。從能帶論的角度來看，對于滿帶，其中各能級已經(jīng)被電子占滿，在外加電場的作逡逑用下，滿帶中的電子（也就是原子的內(nèi)層電子）并不能產(chǎn)生電流，能級最高的滿帶被逡逑稱為導帶；對于被電子部分占據(jù)的能帶

且化學純的半導體材料是不存在的。同年，ＲｕｄｏｌｆＰｅｉｅｒｌｓ和Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ同時逡逑提出了材料的禁帶這一概念ｍ。逡逑１９３１年，Ａｌａｎ邋Ｗｉｌｓｏｎ建立了固體能帶理論，如圖１－３所示。同時，Ｗｉｌｓｏｎ進一逡逑步確認了半導體材料的導電性是由于雜質(zhì)的存在導致的［８］。逡逑１９３８年，Ｗａｌｔｅｒ邋Ｓｃｈｏｔｔｋｙ和Ｎｅｖｉｌｌｅ邋Ｆ．邋Ｍｏｔｔ提出，在金屬－半導體接觸的地方存在逡逑一個勢壘（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋ｂａｒｒｉｅｒ），并且精確計算出這個勢魚的參數(shù)。兩人于１９７７年獲得逡逑３逡逑

山東大學博士畢業(yè)論文逡逑理論上，ＧａＮ基半導體材料可以通過改變ｆｆｌ－族原子（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ）之間的比例，逡逑使禁帶寬度從０．７到６．２邋ｅＶ連續(xù)可調(diào)，如圖１－５所示。由此可見，ＧａＮ基半導體材料逡逑的禁帶寬度覆蓋了紫外－可見－紅外區(qū)域，再加上它是直接帶隙半導體材料，因此，是逡逑良好的光電材料。逡逑Ｉ邐？逡逑ｈｖ逡逑Ｍ邋卜邋卜逡逑廠（00０｝邐－邐ｉ邋Ｆ邐／＇（０００）邐一＾＾Ｉ邋￡ｐ逡逑…￡逡逑ｋ邐ｋ逡逑（ａ）直接躍遷邐（ｂ）間接躍遷逡逑圖１－５直接躍遷能帶結(jié)構(gòu)和間接躍遷能帶結(jié)構(gòu)示意圖｜１６］逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ａｎｄ邋ｉｎｄｉｒｅｃｔ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ＾１６１逡逑室溫下Ｉｎ＾Ｇａ＃和Ａｈ＿ｘＧａｘＮ三元合金的￡ｇ可以通過公式１．１求得［１５］逡逑Ｅｓ邋（ｘ）＝邋（１邋－ｘ）邋￡ｇ（０）邋＋邋ｘ邋￡ｇ（邋１）邋－邋ｂｘ邋（１邋－ｘ）邐（１．１）逡逑式中五ｇ（０）、￡ｇ（ｌ）分別為ＧａＮ和ＩｎＮ邋（ＡＩＮ）的禁帶寬度；ｘ是Ａ１或Ｉｎ的百分比；逡逑６是帶隙彎曲系數(shù)，對于Ｉｍ＿ｘＧａｘＮ和Ａｌ＾ｘＧａｘＮ的彎曲因子分別為１．４土０．１和５．０土０．５逡逑ｅＶ。逡逑§１－３邋ＧａＮ基半導體的應(yīng)用逡逑ＧａＮ基半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等優(yōu)良特性，逡逑同時，它是直接帶隙半導體，禁帶寬度從０．７到６．２邋ｅＶ連續(xù)可調(diào)。因此，它的應(yīng)用主逡逑要集中在以下兩個方面：（ｉ）用于制備高電子遷移率晶體管（Ｈｉｇｈ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｍｏｂｉｌｉｔｙ逡逑Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ

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