GaN基半导体异质结构中的应力相关效应

论文摘要

GaN基半导体作为光电子材料领域极为重要的材料,其异质结构在器件开发领域得到十分广泛的应用,目前,影响其未来发展的有几大关键性难题,本质上都与应力场有关,深受大家关注且亟待解决。本论文通过实验研究和计算模拟,全面深入地考察了GaN基半导体异质结构中应力场的相关效应,分析其复杂性质、阐明其物理机制,进而讨论这些效应对GaN基半导体电学和光学性质的作用。在基础研究手段上,我们利用金属有机物化学汽相外延技术制备GaN基异质结构,如侧向外延GaN和AlGaN/GaN系统的异质结构;采用包括电子显微镜、俄歇电子能谱、阴极荧光光谱等技术,表征异质结构的各项化学、物理性质。首先提出了电子信息的思想和“俄歇谱广义位移”概念,结合以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,重点开发了微纳米区域的应力场、电学量测量技术,对微观表征技术的发展起重要的推动作用。基于上述手段,我们针对以下几方面关键物理问题进行研究并取得重要结果:在GaN中应力场和发光性质的研究方面,通过对侧向外延GaN的应力分布测量,发现双轴应力释放的关键机制和区域,通过对穿透位错的拐弯、攀移等行为的分析发现双轴应力场可转变为纵向应力场,并带来带边发光增强的效应,从而提高了紫外发光强度;同时,集体有序拐弯的位错线所形成的横向位错阵列,对极化场造成密集的碎断作用,减小电子空穴的离化,增加了发光复合几率,进一步促进GaN发光效率的提高。在GaN/AlGaN/GaN异质结构的压电极化效应的研究方面,通过测量界面层区的化学和电学性质,发现Al与Ga在界面互扩散形成了一定宽度的界面组分缓变层区,在此层区内,因极化效应作用形成了局域的二维电荷薄层。通过对局域电场的测量,重建了异质结能带结构,表明能带弯曲所形成的界面势谷对二维电荷薄层起到限制的作用。通过第一性原理计算AlGaN/GaN异质结构的几何和电子结构,得到极化场作用下的弯曲能带结构,与实验结果很好的吻合,并发现了价带、导带弯曲的不一致性,预测了AlGaN/GaN量子阱的短波发光器件开发的切实可行性。在应力场控制下的AlGaN体系异质界面相变的研究方面,通过计算发现,在GaN基

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 序论
• 1.1 GaN 基半导体研究的根本性问题
• 1.2 研究手段发展的基础性问题
• 1.3 论文构架
• 第二章 晶体生长方法和表征
• 2.1 III 族氮化物生长方法
• 2.1.1 金属有机物汽相外延（MOVPE）
• 2.1.2 侧向外延GaN 的制备
• 2.1.3 AlGaN/GaN 异质结构的制备
• 2.2 表征方法
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.2.3 俄歇电子能谱（AES）
• 2.2.4 X 射线衍射（XRD）
• 2.2.5 拉曼散射谱（Raman）
• 2.2.6 阴极荧光谱（CL）
• 第三章 计算模拟方法
• 3.1 密度泛函理论的电子结构计算
• 3.1.1 密度泛函理论
• 3.1.2 混合基赝势计算方法
• 3.1.3 力与结构优化
• 3.2 计算模拟的应力模型
• 3.2.1 体材料模型和表面材料模型
• 3.2.2 异质结构模型
• 3.2.3 应力场的构建
• 3.3 GaN 和AlN 材料基本性质的计算
• 3.3.1 GaN 和AlN 体材料的基本性质
• 3.3.2 GaN 和AlN 表面系统的基本性质
• 第四章 俄歇谱广义位移概念及其微纳区测量技术的建立
• 4.1 引言
• 4.2 俄歇电子理论
• 4.2.1 俄歇电子跃迁过程和表述
• 4.2.2 俄歇电子能量的表达
• 4.2.3 价电子态对俄歇电子能量的影响
• 4.2.4 价电子能带俄歇谱的理论表述及其简化
• 4.2.5 价电子能带俄歇谱中的电子信息
• 4.3 俄歇谱广义位移概念及其微观物理意义
• 4.3.1 广义位移概念及其意义
• 4.3.2 俄歇峰位对应微观变化实例
• 4.3.3 俄歇峰形对应微观变化实例
• 4.4 纳米区域应力测量技术的建立
• 4.4.1 应力测量技术的发展
• 4.4.2 俄歇谱位移与微观应力的对应关系
• 4.4.3 俄歇谱位移量的测量
• 4.4.4 样品和测试环境
• 4.5 远场非接触性纳米区域电学测量技术的建立
• 4.5.1 电学测量技术的发展
• 4.5.2 局域电荷及电场的俄歇谱信息
• 4.5.3 局域电荷浓度及电场的测量
• 4.5.4 样品和测试环境
• 4.6 结论
• 第五章 GaN 中的应力场转变及带边发光增强效应
• 5.1 引言
• 5.2 侧向外延GaN 中应力场的释放机制
• 5.2.1 表面形貌和应力分布
• 5.2.2 剖面应力演化分布的精确测量
• 5.2.3 应力场释放机制
• 5.3 位错集体有序行为及纵向应力场转变
• 5.3.1 侧向外延区位错的有序拐弯
• 5.3.2 位错半环集体攀移及纵向应力场
• 5.3.3 纵向应力场与光谱蓝移
• 5.4 带边发光增强效应
• 5.4.1 侧向区的高亮紫外发光
• 5.4.2 纵向应力场的带边发光增强效应
• 5.4.3 横向位错阵列的极化场碎断效应
• 5.5 结论
• 第六章 GaN/AlGaN/GaN 异质界面的压电极化效应
• 6.1 引言
• 6.2 III 族氮化物异质结构的压电极化效应
• 6.2.1 III 族氮化物的压电极化
• 6.2.2 AlGaN/GaN 异质结的压电极化
• 6.2.3 压电极化的光学和电学效应
• 6.3 GaN/AlGaN/GaN 异质界面极化场的表征
• 6.3.1 界面层的组分扩散深度
• 6.3.2 界面的极化电荷薄层
• 6.3.3 极化电场分布
• 6.3.4 缓变界面的能带弯曲
• 6.4 GaN/AlGaN 的能带结构计算
• 6.4.1 GaN/AlGaN/GaN 异质结层晶的能带弯曲
• 6.4.2 AlGaN/GaN/AlGaN 量子阱的能带弯曲
• 6.5 结论
• 第七章 应力控制下 AlGaN 体系异质界面的结构相变
• 7.1 引言
• 7.2 AlGaN/GaN 应变异质界面的结构相变
• 7.2.1 异质界面模型与结构转变能
• 7.2.2 AlGaN 薄膜相变的临界厚度
• 7.2.3 次近邻键相互作用和Al-N 键共价化效应
• 7.2.4 相变势垒
• 7.2.5 相变对AlGaN/GaN 压电极化场的影响
• 7.2.6 AlGaN/GaN 样品异质界面相变的观测
• 7.3 AlGaN/AlN 应变异质界面的结构相变
• 7.3.1 AlGaN 异质界面层的结构转变
• 7.3.2 相变结构稳定的应力范围
• 7.4 结论
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 第一章
• 第二章
• 第三章
• 第四章
• 第五章
• 第六章
• 第七章
• 附录 博士期间发表的论文及成果
• 致谢