本文關鍵詞：非極性GaN材料的MOCVD生長及表征

  更多相關文章： 非極性GaN外延層 金屬有機物化學氣相沉積 AlInGaN材料 電子阻擋層 高電子遷移率晶體管 太赫茲波調制器

【摘要】：氮化鎵(GaN)材料具有直接寬禁帶,化學性質穩(wěn)定,熔點高(2300℃)等優(yōu)點,在固態(tài)照明、太陽能電池、殺菌、激光器等方面有著廣泛的應用。研究人員一般采用在極性c面藍寶石襯底上外延生長[0001]GaN材料的方法。但是,極性面GaN基材料內部存在極化電場,導致量子限制斯塔克效應,而非極性GaN基材料則可以消除內建電場,克服電子和空穴在空間上分離的問題,提高內量子效率。本研究采用金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)的方法在r面藍寶石襯底上生長非極性a面GaN薄膜,并進行了系統(tǒng)的材料性質研究。同時,在理論上分析了AⅡnGaN四元材料在非極性GaN基LED方面的應用。另外,本論文還研究了基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫茲波調制器,其對太赫茲波的最大調制頻率可以達到11 MHz。本研究的主要研究內容和成果如下：1.成功實現(xiàn)了低溫GaN材料作為成核層的非極性a面GaN外延層的MOCVD生長。采用兩步生長的方法在r面藍寶石上得到高質量的a面GaN外延層。同時,詳細研究了在a面GaN生長過程中Ⅴ/Ⅲ比、TMG流量和壓力等參數(shù)對表面形貌和晶體質量的影響,并成功獲得了Si摻雜的n型非極性a面GaN外延層。使用高分辨X射線衍射(HRXRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光致發(fā)光譜(PL)、霍爾(Hall)效應測試儀等表征手段研究了Si摻雜對非極性a面GaN外延層的表面形貌、晶體質量和光學電學性質的影響。研究結果表明,經過Si摻雜,雖然材料的晶體質量和表面形貌出現(xiàn)了微小的劣化,但其遷移率則從9.15 cm2/V·s上升到66.90 cm2/V·s.2.研究了AlN材料作為成核層的a面GaN外延層的MOCVD生長技術。采用高溫-低溫-高溫AlN緩沖層的生長方法,同樣可以得到單晶a面GaN外延層。并通過高溫AlN脈沖生長、在高溫AlN和GaN外延層之間插入Al組分漸變的AlGaN緩沖層等方法有效提了高晶體質量,表現(xiàn)在HRXRD的m方向搖擺曲線的半高寬降低了28%。3.采用APSYS光電子器件分析軟件對極性c面和非極性a面GaN基LED進行了模擬,并通過對能帶結構、漏電流分布和內量子效率等進行的計算,分析了器件性能衰減的原因。本論文所做的理論模擬工作包括：(1).采用非極性Al0.089In0.018Ga0.893N/GaN量子阱有源區(qū),成功消除了內建電場,并解決了GaN與AlGaN晶格失配的問題；(2)使用AⅡnGaN/GaN超晶格替代單層AⅡnGaN作為電子阻擋層,減小了器件的漏電流,并提高了空穴注入效率,從而提升了器件的內量子效率和光輸出功率。4.采用CST軟件模擬研究了基于Ⅲ-V族材料GaAs的太赫茲波調制器。通過優(yōu)化金屬諧振環(huán)尺寸,最終獲得中心響應頻率為0.34 Thz左右的調制器的模擬結果。另外還設計了一種具有多頻響應特征的太赫茲調制器,并通過CST軟件模擬了其性能。本論文還對制備的太赫茲波調制器進行了測試。通過改變柵-源電壓大小可以控制高電子遷移率晶體管(HEMT)中二維電子氣的濃度,從而改變調制器對太赫茲波的透過率。結果顯示,在交流電壓下,制備的太赫茲波調制器對太赫茲波呈現(xiàn)快速響應,其調制頻率最高可以達到11 MHz。
【關鍵詞】：非極性GaN外延層 金屬有機物化學氣相沉積 AlInGaN材料 電子阻擋層 高電子遷移率晶體管 太赫茲波調制器
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN304.055
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 GaN基材料的研究背景和意義10
• 1.2 GaN基材料特性10-12
• 1.2.1 結構特性11
• 1.2.2 極化效應11-12
• 1.3 非極性面GaN基材料簡介12-16
• 1.3.1 非極性面GaN基材料結構12-13
• 1.3.2 非極性GaN基材料的優(yōu)勢13-14
• 1.3.3 非極性面GaN基LED研究進展14
• 1.3.4 非極性a面GaN基材料在r面藍寶石上生長所存在的問題14-16
• 1.4 本文主要研究內容及創(chuàng)新點16-18
• 第二章 非極性Ⅲ族氮化物材料生長及表征18-26
• 2.1 非極性Ⅲ族氮化物材料的MOCVD外延生長技術18-21
• 2.2 非極性Ⅲ族氮化物材料的表征方法21-25
• 2.2.1 高分辨X射線衍射儀(HRXRD)21-22
• 2.2.2 光致發(fā)光(PL)譜22
• 2.2.3 紫外可見分光光度計22-23
• 2.2.4 掃描電子顯微鏡(SEM)23-24
• 2.2.5 霍爾(Hall)效應測試儀24-25
• 2.3 本章小結25-26
• 第三章 a面GaN基材料的生長研究26-38
• 3.1 引言26
• 3.2 以GaN材料作為成核層的a面GaN材料的生長研究26-33
• 3.2.1 以GaN材料作為成核層的a面GaN材料的生長26-28
• 3.2.2 樣品表征與分析28-31
• 3.2.3 a面GaN基材料的n型摻雜研究31-33
• 3.3 以AlN作為成核層的a面GaN基材料的生長研究33-37
• 3.3.1 AlN作為成核層的a面GaN材料的生長過程34
• 3.3.2 AlN作為成核層的a面GaN材料表征結果與分析34-35
• 3.3.3 AlGaN作為插入層的a面GaN材料的生長研究35-36
• 3.3.4 AlGaN作為插入層的a面GaN材料表征與分析36-37
• 3.4 本章小結37-38
• 第四章 非極性a面GaN基LED中AlInGaN四元材料的應用38-49
• 4.1 引言38
• 4.2 APSYS仿真軟件簡介38-39
• 4.3 理論模型39-41
• 4.3.1 通過復合中心的間接(Shockley Read Hall,SHR)復合和俄歇復合39
• 4.3.2 擴散-漂移(Diffusion-Drift,DD)模型39-40
• 4.3.3 自發(fā)極化和壓電極化40-41
• 4.3.4 氮化鎵基半導體材料的禁帶寬度41
• 4.4 AlInGaN四元材料在不同極性GaN基LED的應用41-48
• 4.4.1 建立模型與設置參數(shù)41-42
• 4.4.2 GaN基LED的結構模擬分析42-43
• 4.4.3 GaN基LED的結構創(chuàng)新與模擬43-48
• 4.5 本章小結48-49
• 第五章 基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫茲波調制器49-57
• 5.1 結構與原理49-50
• 5.2 太赫茲波調制器的模擬50-52
• 5.2.1 中心響應頻率為0.34 THz的太赫茲波調制器的模擬結果50-51
• 5.2.2 一種多頻響應太赫茲波調制器51-52
• 5.3 制備的太赫茲波調制器的實驗結果與分析52-56
• 5.3.1 柵極電壓對2DEG濃度的影響53
• 5.3.2 直流偏壓下對太赫茲波的幅度調制53-55
• 5.3.3 交流電壓下對太赫茲波的高頻調制55-56
• 5.4 本章小結56-57
• 總結與展望57-59
• 全文工作總結57
• 未來工作展望57-59
• 致謝59-60
• 參考文獻60-64
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果64

【參考文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 賈輝;非極性GaN基半導體材料的MOCVD生長與探測器研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2012年

2 許晟瑞;非極性和半極性GaN的生長及特性研究[D];西安電子科技大學;2010年

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本文編號：526149