高質(zhì)量非極性a面GaN異質(zhì)外延的研究
發(fā)布時間：2022-02-13 17:50
近年來,Ⅲ族氮化物由于其優(yōu)異的性能在功率電子和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。到目前為止,絕大部分商用的Ⅲ族氮化物器件是生長在c面GaN上的。然而在c面GaN中存在的自發(fā)極化和壓電極化帶來的強(qiáng)內(nèi)建電場阻礙了Ⅲ族氮化物的進(jìn)一步應(yīng)用。解決這一問題的一個可行性方案便是生長在生長方向上不存在極化電場的非極性GaN（a（11-20）面和m（10-10）面）。由于自支撐非極性GaN襯底價格昂貴并且尺寸又小,非極性GaN的異質(zhì)外延對于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)是十分必要的。而在r面藍(lán)寶石上生長a面GaN外延便是一個可行的方案。但在r面藍(lán)寶石上外延的a面GaN中主要存在兩個問題:一是高密度的堆垛層錯和穿透位錯;二是面內(nèi)的各向異性（晶體質(zhì)量和表面形貌的各向異性）。為了試圖解決上述問題,在本論文中,一方面研究了直接生長在Si O2條紋狀r面藍(lán)寶石圖形襯底上的非極性a面GaN;另一方面證實(shí)了低溫GaN插入層可以顯著改善a面GaN的表面形貌。具體研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:1. 系統(tǒng)研究分析了平行于GaN的[0001]方向和[1-100]方向的條紋狀r面藍(lán)寶石圖形襯底對非極性a面GaN晶體質(zhì)量的影響。當(dāng)條...
【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)北京市
【文章頁數(shù)】：114 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
GaN的晶體結(jié)構(gòu)（a）纖鋅礦結(jié)構(gòu)；（b）閃鋅礦結(jié)構(gòu)和（c）巖鹽結(jié)構(gòu)
高質(zhì)量非極性a面GaN異質(zhì)外延的研究4的密排面為(111)面，原子沿[111]方向以ABCABC······的模式密堆積。圖1.2（a）纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第一布里淵區(qū)；（b）理論計(jì)算的GaN纖鋅礦結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)Figure1.2(a)ThefirstBrillouinzoneofthewurtzitestructure.(b)TheoreticallycalculatedenergybandstructureofGaNwurtzitestructure半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)與光學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)。因此在了解了一種半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，認(rèn)識其能帶結(jié)構(gòu)是十分重要的。目前計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)的方法包括了密度泛函理論、局域密度近似、半經(jīng)驗(yàn)贗勢與k·p微擾論等（Pughetal.，1999；Vogeletal.，1997）。GaN的第一布里淵區(qū)與其能帶結(jié)構(gòu)如圖1.2所示（Madelung，2004）。從圖中可以看出其價帶頂和導(dǎo)帶底都在Г點(diǎn)，其能量色散關(guān)系關(guān)于Г點(diǎn)對稱。GaN為直接帶隙材料。除GaN以外，AlN和InN均為直接帶隙半導(dǎo)體，且三者的合金在任一組分下也均為直接帶隙半導(dǎo)體；并且GaN與Si和GaAs等半導(dǎo)體材料相比具有更大的禁帶寬度、更高的飽和電子漂移速度，更高的擊穿電常這兩方面的優(yōu)勢使以GaN為基礎(chǔ)的Ⅲ族氮化物材料體系在光電子和功率電子領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。表1.1中總結(jié)了GaN、AlN、InN、Si與GaAs五種半導(dǎo)體材料基本性質(zhì)做一對比。
高質(zhì)量非極性a面GaN異質(zhì)外延的研究66.2eV可調(diào)（MoustakasandPaiella，2017）。從近紅外一直到深紫外覆蓋了整個可見光譜區(qū)，并且所有的合金都為直接帶隙半導(dǎo)體。其中目前用途最廣泛的為藍(lán)光LED。如圖1.3（b）所示為一個目前常用的采用倒裝襯底（TFFC）結(jié)構(gòu)的藍(lán)光LED示意圖，其中包含了n型GaN層、InGaN/GaN多量子阱、p型GaN層、n型接觸電極和p型接觸電極。電子與空穴分別從n型GaN區(qū)和p型GaN區(qū)輸入多量子阱區(qū)，在量子阱中復(fù)合并發(fā)出光子（Lietal.，2016）。GaN基LED的應(yīng)用十分廣泛，其中藍(lán)光LED與熒光粉相結(jié)合可直接用于白光顯示與照明光源；紫外LED則運(yùn)用在殺菌、固化與傳感器等眾多領(lǐng)域（Kneissletal.，2019）。隨著GaN基LED潛力被不斷地挖掘，目前新型的應(yīng)用領(lǐng)域又有MicroLED顯示、可見光通信與農(nóng)業(yè)照明等領(lǐng)域（Wuetal.，2018；Haasetal.，2016；Massaetal.，2008）。圖1.3（a）氮化物半導(dǎo)體能帶寬度對應(yīng)晶格常數(shù)的示意圖；（b）InGaN倒裝芯片LED的示意圖Figure1.3(a)Schematicoftheenergybandgapversuslatticeconstantofnitridesemiconductors;(b)generaldesignofTFFCInGaNLEDs而在GaN基LED的基礎(chǔ)上學(xué)者們又研發(fā)出了GaN基的LD。第一個GaN基的LD由日本的Nakamura等人（1996）于1996年研發(fā)成功。至此以后藍(lán)光LD的性能和穩(wěn)定性逐年提升，到1997年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過1000h的使用壽命（Nakamuraetal.，1997）。GaN基的藍(lán)光/紫光LD在高密度光學(xué)數(shù)字存儲領(lǐng)域有
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氮化鎵單晶生長研究進(jìn)展[J]. 任國強(qiáng),王建峰,劉宗亮,蔡德敏,蘇旭軍,徐科. 人工晶體學(xué)報. 2019(09)
[2]r面藍(lán)寶石襯底上采用兩步AlN緩沖層法外延生長a面GaN薄膜及應(yīng)力研究[J]. 顏建鋒,張潔,郭麗偉,朱學(xué)亮,彭銘曾,賈海強(qiáng),陳弘,周均銘. 半導(dǎo)體學(xué)報. 2007(10)
本文編號：3623645
【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)北京市
【文章頁數(shù)】：114 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
GaN的晶體結(jié)構(gòu)（a）纖鋅礦結(jié)構(gòu)；（b）閃鋅礦結(jié)構(gòu)和（c）巖鹽結(jié)構(gòu)
高質(zhì)量非極性a面GaN異質(zhì)外延的研究4的密排面為(111)面，原子沿[111]方向以ABCABC······的模式密堆積。圖1.2（a）纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第一布里淵區(qū)；（b）理論計(jì)算的GaN纖鋅礦結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)Figure1.2(a)ThefirstBrillouinzoneofthewurtzitestructure.(b)TheoreticallycalculatedenergybandstructureofGaNwurtzitestructure半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)與光學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)。因此在了解了一種半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，認(rèn)識其能帶結(jié)構(gòu)是十分重要的。目前計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)的方法包括了密度泛函理論、局域密度近似、半經(jīng)驗(yàn)贗勢與k·p微擾論等（Pughetal.，1999；Vogeletal.，1997）。GaN的第一布里淵區(qū)與其能帶結(jié)構(gòu)如圖1.2所示（Madelung，2004）。從圖中可以看出其價帶頂和導(dǎo)帶底都在Г點(diǎn)，其能量色散關(guān)系關(guān)于Г點(diǎn)對稱。GaN為直接帶隙材料。除GaN以外，AlN和InN均為直接帶隙半導(dǎo)體，且三者的合金在任一組分下也均為直接帶隙半導(dǎo)體；并且GaN與Si和GaAs等半導(dǎo)體材料相比具有更大的禁帶寬度、更高的飽和電子漂移速度，更高的擊穿電常這兩方面的優(yōu)勢使以GaN為基礎(chǔ)的Ⅲ族氮化物材料體系在光電子和功率電子領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。表1.1中總結(jié)了GaN、AlN、InN、Si與GaAs五種半導(dǎo)體材料基本性質(zhì)做一對比。
高質(zhì)量非極性a面GaN異質(zhì)外延的研究66.2eV可調(diào)（MoustakasandPaiella，2017）。從近紅外一直到深紫外覆蓋了整個可見光譜區(qū)，并且所有的合金都為直接帶隙半導(dǎo)體。其中目前用途最廣泛的為藍(lán)光LED。如圖1.3（b）所示為一個目前常用的采用倒裝襯底（TFFC）結(jié)構(gòu)的藍(lán)光LED示意圖，其中包含了n型GaN層、InGaN/GaN多量子阱、p型GaN層、n型接觸電極和p型接觸電極。電子與空穴分別從n型GaN區(qū)和p型GaN區(qū)輸入多量子阱區(qū)，在量子阱中復(fù)合并發(fā)出光子（Lietal.，2016）。GaN基LED的應(yīng)用十分廣泛，其中藍(lán)光LED與熒光粉相結(jié)合可直接用于白光顯示與照明光源；紫外LED則運(yùn)用在殺菌、固化與傳感器等眾多領(lǐng)域（Kneissletal.，2019）。隨著GaN基LED潛力被不斷地挖掘，目前新型的應(yīng)用領(lǐng)域又有MicroLED顯示、可見光通信與農(nóng)業(yè)照明等領(lǐng)域（Wuetal.，2018；Haasetal.，2016；Massaetal.，2008）。圖1.3（a）氮化物半導(dǎo)體能帶寬度對應(yīng)晶格常數(shù)的示意圖；（b）InGaN倒裝芯片LED的示意圖Figure1.3(a)Schematicoftheenergybandgapversuslatticeconstantofnitridesemiconductors;(b)generaldesignofTFFCInGaNLEDs而在GaN基LED的基礎(chǔ)上學(xué)者們又研發(fā)出了GaN基的LD。第一個GaN基的LD由日本的Nakamura等人（1996）于1996年研發(fā)成功。至此以后藍(lán)光LD的性能和穩(wěn)定性逐年提升，到1997年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過1000h的使用壽命（Nakamuraetal.，1997）。GaN基的藍(lán)光/紫光LD在高密度光學(xué)數(shù)字存儲領(lǐng)域有
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氮化鎵單晶生長研究進(jìn)展[J]. 任國強(qiáng),王建峰,劉宗亮,蔡德敏,蘇旭軍,徐科. 人工晶體學(xué)報. 2019(09)
[2]r面藍(lán)寶石襯底上采用兩步AlN緩沖層法外延生長a面GaN薄膜及應(yīng)力研究[J]. 顏建鋒,張潔,郭麗偉,朱學(xué)亮,彭銘曾,賈海強(qiáng),陳弘,周均銘. 半導(dǎo)體學(xué)報. 2007(10)
本文編號：3623645
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