近年來,半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和對(duì)半導(dǎo)體器件發(fā)展要求的不斷提高,極大地推動(dòng)了化合物半導(dǎo)體材料的合成和器件開發(fā)等領(lǐng)域的研究工作的進(jìn)展,并且取得了許多研究成果。其中,以GaN及其合金(如InGaN、AlGaN、AlInGaN等)為代表的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料和以Zn基化合物(如ZnTe等)為代表的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料,更是得到了快速的發(fā)展。一方面,Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體GaN及GaN基多元合金都是直接帶隙材料。并且通過改變其組分配比,其能帶帶隙可以實(shí)現(xiàn)從0.7 eV到6.28 eV的連續(xù)變化,其發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋了從紅外、可見到紫外的整個(gè)區(qū)域。再者,GaN材料具有發(fā)光特性優(yōu)良、電子漂移速度高、熱導(dǎo)率高、硬度大、介電常數(shù)小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及抗輻射、耐高溫等特點(diǎn),在光電子和微電子領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用前景。特別是在發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、紫外發(fā)光探測(cè)器及高電子遷移率晶體管(HEMT)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景,更激發(fā)了人們對(duì)于GaN及其合金材料的研究興趣。作為GaN基LED、LD等光電子器件的核心部分,InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)的結(jié)構(gòu)特性和光學(xué)特性也成為了半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這是因?yàn)?首先InGaN三元合金中In組分起伏所引起的富銦區(qū)(In-rich region,具有類量子點(diǎn)結(jié)構(gòu))可以形成束縛載流子的勢(shì)阱,并有效抑制載流子流向非輻射復(fù)合中心;此外,GaN壘層和InGaN阱層在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)方面的差異,也會(huì)導(dǎo)致有源區(qū)產(chǎn)生較大的極化電場(chǎng)。該極化電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致InGaN阱層中的電子和空穴分別流向阱層的兩側(cè),造成電子和空穴的波函數(shù)疊加減少,并導(dǎo)致輻射復(fù)合效率降低,此即所謂的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)。另外,由于生長(zhǎng)工藝的不成熟、結(jié)構(gòu)參數(shù)的不完美,以及合適襯底的缺乏(如GaN外延材料和藍(lán)寶石襯底之間存在著高達(dá)13%的晶格失配),其外延層中(包括GaN緩沖層、n-GaN層、GaN壘層、InGaN阱層以及p-GaN層等)將包含著較大密度的位錯(cuò)、缺陷和雜質(zhì),這些因素作為非輻射復(fù)合中心將會(huì)極大地影響器件的發(fā)光效率。因此,深入研究InGaN/GaN多量子阱基LED的發(fā)光特性及內(nèi)部載流子動(dòng)力學(xué)機(jī)制對(duì)提高該結(jié)構(gòu)及相關(guān)結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率具有重要的指導(dǎo)作用。此外,作為HEMT器件的核心組成部分,對(duì)于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性調(diào)查及缺陷表征,也是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。另一方面,II-VI族化合物半導(dǎo)體ZnTe室溫帶隙為2.26eV,也為寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料,長(zhǎng)久以來ZnTe被看做制備綠光LED的很有前景的材料,是GaN基LED照明材料的一個(gè)強(qiáng)有力的補(bǔ)充。并且ZnTe在THz探測(cè)器、光波導(dǎo)、太陽能電池和調(diào)制器方面有廣闊的潛在應(yīng)用前景,因此對(duì)ZnTe材料及相關(guān)器件開展研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。目前,對(duì)ZnTe的研究盡管取得了很大的進(jìn)展,但在ZnTe外延材料及其相關(guān)發(fā)光器件的制備過程中,仍然存在很多問題,如ZnTe的外延質(zhì)量差、發(fā)光效率較低等。因此,進(jìn)一步研究高質(zhì)量ZnTe單晶和外延材料的制備工藝和光學(xué)特性具有重要意義。本論文的主要研究工作如下:(a)利用MOCVD方法制備了 GaN外延層、InGaN/GaN多量子阱、AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu);(b)利用MOVPE、垂直布里基曼(Bridgeman)方法分別制備了 ZnTe外延層和體單晶;(c)利用PL譜、EL譜、霍爾(Hall)效應(yīng)和透射電子顯微鏡(HRTEM)等手段對(duì)上述樣品進(jìn)行了測(cè)試、表征和分析。現(xiàn)簡(jiǎn)述如下:(一)InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光(photoluminescence,PL)特性調(diào)查了 InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)載流子的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合發(fā)光機(jī)制。在低激發(fā)功率范圍內(nèi)(小于3 mW),InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的PL譜的溫度依賴性顯示,InGaN阱層的PL譜包含了起因于相分離的兩種輻射成分:與InGaN母體相關(guān)的PM輻射和與富In量子點(diǎn)相關(guān)的PD輻射。這個(gè)相分離也被高分辨HRTEM影像所證實(shí)。在0.5 MW的最低功率下,PM發(fā)光峰和PD發(fā)光峰的溫度依賴性顯示,隨著溫度的增加,InGaN/GaN多量子阱的復(fù)合發(fā)光過程不僅包含了載流子在各自相結(jié)構(gòu)中的弛豫過程和隨后的熱膨脹過程,也包含了載流子在兩個(gè)相結(jié)構(gòu)之間的傳輸過程。另一方面,隨著激發(fā)功率的增加(從0.5 μW到50mW),PD峰在大約3mW處逐漸消失,同時(shí),PM峰位能量(線寬)的溫度依賴行為則逐漸地從強(qiáng)“S型”(“W型”)溫度依賴性變?yōu)槿酢癝型”(近似的“V型”)關(guān)系,并直到變?yōu)橐粋�(gè)倒“V型”(一個(gè)近似的單調(diào)增加)溫度依賴性。這些結(jié)果顯示,隨著增加激發(fā)功率,載流子的局域效果逐漸降低,并且富In量子點(diǎn)相關(guān)的輻射躍遷被逐漸增強(qiáng)的InGaN母體輻射所淹沒。同時(shí),載流子的熱化效應(yīng)逐漸增強(qiáng),并且在高激發(fā)功率下占據(jù)支配地位。(二)InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光(electroluminescence,EL)特性為了獲得具有固定發(fā)光波長(zhǎng)的高效InGaN基LED,我們制備了兩個(gè)具有不同銦組份和阱寬但發(fā)光波長(zhǎng)近似相同的InGaN/GaN多量子阱基藍(lán)光LED樣品,并且在6-300K的溫度范圍內(nèi)、0.001-200mA的注入電流范圍內(nèi)調(diào)查了它們的EL譜。在不同溫度下,EL峰位能量和線寬的電流依賴性顯示,在6 K的最低溫度下、在初始(較低)電流范圍內(nèi),對(duì)于樣品A(具有較高的In含量、較小的阱寬)而言,其低能局域態(tài)的填充效應(yīng)支配著InGaN/GaN多量子阱的復(fù)合發(fā)光過程。相比之下,對(duì)于樣品B(具有較低的In含量、較大的阱寬)而言,則是量子限制效應(yīng)的庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)支配著InGaN/GaN多量子阱的復(fù)合發(fā)光過程。這些行為主要被歸因于以下事實(shí):多量子阱中較高的銦含量誘發(fā)了一個(gè)較強(qiáng)的壓電場(chǎng),并且這導(dǎo)致了更顯著的電子泄漏和相對(duì)顯著的載流子局域效應(yīng)(由于庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)的無效)。盡管樣品A有較小的阱寬,然而,在高于大約80 K的溫度下,它的顯著的庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)也證實(shí)了自身有較強(qiáng)的壓電場(chǎng)。此外,與樣品B相比,樣品A顯著的效率下降(efficiency droop)也進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)論:與前者相比,由于后者具有更強(qiáng)的壓電場(chǎng)和更小的阱寬,所以后者具有比前者更大的電子泄漏和/或溢出。(三)GaN外延層及AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的光電特性本研究采用MOVPE的方法在c面藍(lán)寶石襯底上制備了 GaN外延層及AlGaN/GaN的異質(zhì)結(jié),并利用PL和Hall測(cè)試調(diào)查了 GaN外延層的光學(xué)性質(zhì)以及AlGaN壘層厚度對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)光電性特性的影響。對(duì)于GaN外延層結(jié)構(gòu),我們觀察、探討了各發(fā)光峰的起源,包括帶邊自由激子的基態(tài)發(fā)光峰(FXA)、第一激發(fā)態(tài)發(fā)光峰(FXB),以及幾個(gè)與雜質(zhì)或缺陷相關(guān)的輻射,如藍(lán)光帶(BL)、黃光帶(YL)等。另一方面,對(duì)于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),其PL測(cè)試結(jié)果顯示,隨著AlGaN壘層厚度的增加,FXA的峰位能量逐漸藍(lán)移、且其一級(jí)聲子伴線(FXA-LO)的強(qiáng)度逐漸變?nèi)?同時(shí),雜質(zhì)相關(guān)的發(fā)光峰(如BL和YL等)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。這是由于GaN層的雙軸應(yīng)力及結(jié)晶質(zhì)量都會(huì)受到AlGaN壘層厚度的影響。Hall測(cè)試結(jié)果顯示,隨著AlGaN壘層厚度的增加,2DEG的濃度增加,但遷移率先增加后減小。這是由于表面施主能級(jí)、界面處的極化電場(chǎng)以及各種散射機(jī)制都會(huì)受到AlGaN壘層厚度的影響。(四)ZnTe異質(zhì)外延層和ZnTe體單晶的制備及光學(xué)特性在這項(xiàng)工作中,ZnTe外延層是采用MOVPE方法在(100)GaAs襯底上制備而成,而ZnTe體單晶則是采用垂直Bridgeman法制備而成。在2 μW到40 mW的激發(fā)功率范圍內(nèi)、6到300K的溫度范圍內(nèi),我們調(diào)查了它們的PL譜的激發(fā)功率和溫度依賴性。對(duì)于兩個(gè)樣品的PL譜,都顯示了尖銳的中性淺受主相關(guān)的束縛激子發(fā)射峰值(Ia),并且與深結(jié)構(gòu)缺陷相關(guān)的發(fā)射(如Y線)都沒有觀察到。這表明兩種結(jié)構(gòu)都具有良好的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外,盡管ZnTe外延層顯示了一個(gè)較弱的發(fā)射峰Ia(可能是由于As原子從GaAs襯底擴(kuò)散到ZnTe外延層中和/或由于應(yīng)變引起的ZnTe外延層晶體質(zhì)量的降低),然而,與ZnTe體晶體相比,在ZnTe外延層中既沒有觀察到DAP發(fā)射、也沒有觀察到e-A發(fā)射。所有這些結(jié)果表明,通過進(jìn)一步優(yōu)化生長(zhǎng)過程,可以獲得與ZnTe體晶體或ZnTe同質(zhì)外延層相當(dāng)?shù)母哔|(zhì)量ZnTe異質(zhì)外延層。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:(1)詳細(xì)研究了不同激發(fā)功率下InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)PL譜的積分強(qiáng)度、峰位能量和線寬的溫度依賴性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),銦組分起伏造成了 InGaN阱層的相分離:InGaN母體和富In量子點(diǎn)。隨著激發(fā)功率的增加,局域效果降低(歸因于隨著載流子的填充,局域態(tài)逐漸飽和)。此外,隨著溫度增加,在低溫范圍內(nèi)一部分載流子逐漸從量子阱母體馳豫到富銦量子點(diǎn)中,然而,在高溫范圍內(nèi)量子點(diǎn)中的局域載流子又由于熱膨脹而返回(溢出)到InGaN母體。這些結(jié)果有助于全面理解InGaN/GaN多量子阱內(nèi)部載流子的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合發(fā)光機(jī)制;(2)詳細(xì)研究了不同激發(fā)功率、不同溫度下具有不同銦組份和阱寬但具有相似發(fā)光波長(zhǎng)的兩個(gè)InGaN/GaN多量子阱基LED的EL譜。結(jié)果表明,與具有低銦組份和寬阱的樣品B相比,具有高銦組份和窄阱的樣品A展示了顯著的電子泄露(或溢出)。這被歸因于較高的銦組份誘發(fā)了較強(qiáng)的極化電場(chǎng),以及較窄的阱寬導(dǎo)致了較強(qiáng)的量子限制效應(yīng)(QCE),并且因此造成了電子泄露(或溢出)的增加。這說明探索合適的In含量和阱寬,對(duì)于制備高效InGaN/GaN多量子阱基LED是至關(guān)重要的;(3)通過PL和Hall測(cè)試,研究了不同的AlGaN壘層厚度對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)光電特性的影響。結(jié)果表明,隨壘層厚度增加,與2DEG和雜質(zhì)相關(guān)的發(fā)光峰的強(qiáng)度增加。這說明:隨壘層厚度增加,2DEG的濃度增加且GaN的結(jié)晶質(zhì)量降低。這個(gè)結(jié)論也為Hall測(cè)試結(jié)果所證實(shí):隨壘層厚度增加,2DEG濃度一直增加,但遷移率先增加后減小。這說明探索一個(gè)合適厚度的AlGaN壘層,對(duì)于制備高性能AlGaN/GaN基HEMTs器件是必要的;(4)研究了 ZnTe異質(zhì)外延層和ZnTe體單晶的PL譜的溫度和激發(fā)功率依賴性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),ZinTe外延層具有和ZnTe體單晶可比擬的結(jié)晶質(zhì)量。這說明通過進(jìn)一步優(yōu)化MOCVD生長(zhǎng)工藝和樣品結(jié)構(gòu)參數(shù),是完全有可能在GaAs襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量ZnTe異質(zhì)外延層結(jié)構(gòu)的。該研究結(jié)果為制備高質(zhì)量ZnTe提供了重要的解決方案。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN304.2
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂａｎｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｗｕｒｔｚｉｔｅ邋ＧａＮ［１９］逡逑ＧａＮ、ＡＩＮ和ＩｎＮ可以形成三元或四元合金，通過調(diào)節(jié)Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ三種元逡逑素的組分，可以實(shí)現(xiàn)帶隙從０．７邋ｅＶ到６．２邋ｅＶ的連續(xù)可調(diào)，如圖１．３所示。室溫逡逑下，Ｉｍ－ｘＧａｘＮ和Ａｈ－ｘＧａｘＮ合金帶隙可由公式（１－１）計(jì)算得出逡逑＾ｇ（ＡＩＧａＮ’ＩｎＧａＮ）邋＝邋（１邋一邋Ｘ）五ｇ（ＧａＮ）邋＋邋＾＾（

本文編號(hào)：2828116