發(fā)布時(shí)間：2020-08-25 07:00

【摘要】：自上世紀(jì)50年代,以硅(Si)為代表的第一代半導(dǎo)體(元素半導(dǎo)體)材料開(kāi)始興起并廣泛應(yīng)用。它取代了笨重的電子管,促進(jìn)了以集成電路為核心的微電子工業(yè)和整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,使人類(lèi)進(jìn)入“Si時(shí)代”。隨著半導(dǎo)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(dǎo)體(化合物半導(dǎo)體)材料興起于上個(gè)世紀(jì)90年代。相對(duì)于第一代半導(dǎo)體材料,第二代半導(dǎo)體材料具有較高的電子遷移率及較大的禁帶寬度,能夠滿(mǎn)足人們?cè)诟哳l和無(wú)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(dǎo)體(寬禁帶半導(dǎo)體)材料開(kāi)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(dǎo)體材料,已成為半導(dǎo)體領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)。GaN基半導(dǎo)體材料的應(yīng)用主要集中在以下兩個(gè)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(wú)線通信基站、衛(wèi)星、雷達(dá)、汽車(chē)電子、航空航天、核工業(yè)、軍用電子等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)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(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展,尤其是金屬有機(jī)化學(xué)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(dǎo)體材料成為可能。盡管如此,GaN基半導(dǎo)體材料及相關(guān)器件的光電特性依然存在諸多問(wèn)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(wèn)題;GaN基LED存在大電流下效率低、黃綠光LED生長(zhǎng)困難等問(wèn)題。這些都與GaN基半導(dǎo)體材料的缺陷、應(yīng)力及載流子的輸運(yùn)機(jī)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(yùn)和復(fù)合機(jī)制,對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化材料生長(zhǎng)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(dǎo)體表征手段,具有靈敏度高、無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn),能夠表征半導(dǎo)體材料合金的組分含量、雜質(zhì)缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷的類(lèi)型以及內(nèi)部載流子的產(chǎn)生(注入)、輸運(yùn)和復(fù)合機(jī)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(cè)試、I-V 測(cè)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(lán)寶石襯底上制備了 GaN外延層,并利用PL測(cè)試詳細(xì)分析了 GaN外延層的光學(xué)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(lán)光帶(blue luminescence,BL)、黃光帶(yellow luminescence,YL)。(二)氮化鋁(AlN)壘層厚度對(duì)AlN/GaN HEMT的光電特性的影響通過(guò)HRTEM,AFM,PL和Hall測(cè)試研究了 AlN壘層厚度對(duì)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(cè)試結(jié)果顯示,相對(duì)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(diǎn):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(qiáng)度更強(qiáng)、NBE發(fā)光峰強(qiáng)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(dāng)AlN壘層厚度從3 nm增加到6 nm時(shí),應(yīng)力開(kāi)始釋放,在AlN/GaN HEMT的表面形成更多的Pit或Crack,這些Pit或Crack會(huì)從AlN/GaN HEMT的表面往下傳播(沿著生長(zhǎng)方向的反方向),甚至穿過(guò)界面到達(dá)GaN溝道層,降低了 AlN/GaN HEMT的結(jié)晶質(zhì)量,導(dǎo)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(dǎo)致的界面粗糙散射增強(qiáng)對(duì)GaN基HEMT的電學(xué)特性影響更大。(三)鐵(Fe)摻雜濃度對(duì)AlGaN/GaNHEMT的光電特性的影響首先,利用MOCVD的方法在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)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(guò)PL、Hall測(cè)試和I-V測(cè)試等表征手段,研究了 Fe摻雜濃度對(duì)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(dāng)摻Fe的AlGaN/GaN HEMT樣品(l×lO18 cm-3)會(huì)引入FeGa受主能級(jí),使費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng)。這導(dǎo)致了 PL譜中YL強(qiáng)度的減小及一個(gè)新的發(fā)光峰的出現(xiàn)—紅外(infrared,IR)發(fā)光峰。此外,還導(dǎo)致了 I-V測(cè)試中BLC的減小。當(dāng)GaN緩沖層摻入過(guò)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(fèi)米能級(jí)上移,同時(shí)FeGa3+捕獲電子導(dǎo)致FeGa3+濃度降低。最終,導(dǎo)致PL譜中YL強(qiáng)度增加和IR發(fā)光峰強(qiáng)度降低以及I-V曲線中的BLC增加。通過(guò)研究PL特性和I-V特性的內(nèi)部機(jī)制,為進(jìn)一步通過(guò)光學(xué)測(cè)量手段分析GaN基HEMT自由載流子的內(nèi)部機(jī)制,提供了簡(jiǎn)單而有效的方法。(四)低溫(low-temperature,LT)p-GaN插入層對(duì)GaN基藍(lán)光的光電特性的影響利用MOCVD的方法在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了兩個(gè)GaN基藍(lán)光LED樣品(有和無(wú)LT p-GaN插入層),并分別測(cè)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(duì)GaN基藍(lán)光LED的光電特性的影響。測(cè)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(duì)于有LT p-GaN插入層的GaN基藍(lán)光LED樣品,沒(méi)有LT p-GaN插入層的GaN基藍(lán)光LED樣品的EL峰位明顯紅移,且伴隨著強(qiáng)度和線寬的增加。同時(shí),有LT p-GaN插入層的GaN基藍(lán)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(lài)性變化趨勢(shì)更顯著,此外,有LT p-GaN插入層的GaN基藍(lán)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(guò)對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,我們發(fā)現(xiàn)LT p-GaN插入層的導(dǎo)入能夠提高GaN基藍(lán)光LED光電特性的,主要原因包括:(ⅰ)阻止生長(zhǎng)p-AIGaN電子阻擋層時(shí)的高溫對(duì)MQWs的破壞(主要指最后一個(gè)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M(fèi)QWs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(lái)自底層的結(jié)構(gòu)缺陷向上傳播,提高后續(xù)生長(zhǎng)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(zhǎng)了 GaN基綠光LED樣品,其次,測(cè)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(lài)性。在低溫范圍內(nèi),如6 K,隨注入電流的增加,MQWs的輻射過(guò)程中,低能局域態(tài)填充先起支配作用;當(dāng)溫度升高至中間溫度時(shí),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(guò)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(dāng)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(guò)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(shí),與GaN基藍(lán)光LED相比,GaN基綠光LED的峰位隨溫度依賴(lài)性沒(méi)有觀察到明顯的“S-形”變化趨勢(shì)。上述EL譜的行為說(shuō)明了 GaN基綠光LED具有較強(qiáng)的局域效應(yīng)。此外,不同溫度下EQE的注入電流依賴(lài)性的測(cè)試結(jié)果顯示,隨著溫度的增加,尤其當(dāng)溫度超過(guò)300 K時(shí),非輻射復(fù)合和電子的溢出越來(lái)越顯著。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN304
【圖文】：

１－１－１半導(dǎo)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(lèi)，可以分為固體、液體、氣逡逑體、等離子體等。有時(shí)需要以其導(dǎo)電性能進(jìn)行分類(lèi)，如圖１－１所示。玻璃、陶瓷、塑逡逑料等都不導(dǎo)電，被稱(chēng)為絕緣體；而鐵（Ｆｅ）、鋁（Ａ１）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）逡逑等導(dǎo)電性能良好，被稱(chēng)為導(dǎo)體。然而自然界中還存在另一類(lèi)物質(zhì)，它們的導(dǎo)電性能介逡逑于導(dǎo)體和絕緣體之間，如單晶硅（Ｓｉ）、鍺（Ｇｅ）等，我們把這類(lèi)材料稱(chēng)為半導(dǎo)體。逡逑相對(duì)于導(dǎo)體和絕緣體，半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)時(shí)間較晚，直到１９１１年，“半導(dǎo)體”這個(gè)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(dǎo)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(dǎo)電性能分類(lèi)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(dǎo)體之所以導(dǎo)電，是因?yàn)閷?dǎo)體中存在的電子在外加電場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)逡逑果。從能帶論的角度來(lái)看，對(duì)于滿(mǎn)帶，其中各能級(jí)已經(jīng)被電子占滿(mǎn)，在外加電場(chǎng)的作逡逑用下，滿(mǎn)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(jí)最高的滿(mǎn)帶被逡逑稱(chēng)為導(dǎo)帶；對(duì)于被電子部分占據(jù)的能帶

且化學(xué)純的半導(dǎo)體材料是不存在的。同年，ＲｕｄｏｌｆＰｅｉｅｒｌｓ和Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ同時(shí)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(shí)，Ｗｉｌｓｏｎ進(jìn)一逡逑步確認(rèn)了半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性是由于雜質(zhì)的存在導(dǎo)致的［８］。逡逑１９３８年，Ｗａｌｔｅｒ邋Ｓｃｈｏｔｔｋｙ和Ｎｅｖｉｌｌｅ邋Ｆ．邋Ｍｏｔｔ提出，在金屬－半導(dǎo)體接觸的地方存在逡逑一個(gè)勢(shì)壘（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋ｂａｒｒｉｅｒ），并且精確計(jì)算出這個(gè)勢(shì)魚(yú)的參數(shù)。兩人于１９７７年獲得逡逑３逡逑

山東大學(xué)博士畢業(yè)論文逡逑理論上，ＧａＮ基半導(dǎo)體材料可以通過(guò)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(jiàn)，ＧａＮ基半導(dǎo)體材料逡逑的禁帶寬度覆蓋了紫外－可見(jiàn)－紅外區(qū)域，再加上它是直接帶隙半導(dǎo)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(guò)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(duì)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(dǎo)體的應(yīng)用逡逑ＧａＮ基半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等優(yōu)良特性，逡逑同時(shí)，它是直接帶隙半導(dǎo)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(gè)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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2 李玲;GaN基隧穿器件的制備及特性的研究[D];吉林大學(xué);2017年

3 徐昌一;石墨烯與GaN材料的接觸研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2015年

4 曹志芳;N型GaN歐姆接觸研究[D];西安電子科技大學(xué);2013年

5 廉海峰;高深紫外量子效率GaN基紫外探測(cè)器的研究[D];南京大學(xué);2013年

6 呂玲;P型GaN歐姆接觸特性研究[D];西安電子科技大學(xué);2008年

7 張旭虎;GaN耿氏二極管及振蕩器設(shè)計(jì)[D];西安電子科技大學(xué);2011年

8 武曉鶯;X波段GaN微波單片低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[D];西安電子科技大學(xué);2010年

9 黃永宏;基于能量平衡模型的GaN太赫茲耿氏二極管特性研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

10 于國(guó)浩;n型GaN肖特基結(jié)核輻射探測(cè)器制備與性能研究[D];重慶師范大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2803407