InGaN、InN及其异质结构材料生长与特性研究

论文摘要

InN及InGaN材料在电子和光电器件方面有诱人的应用前景,但由于InN生长的特殊性和InGaN合金中的相分离等问题,阻碍了高质量InN基材料的制备。近年来,随着氮化物半导体材料生长技术的进步和人们其生长机理认识的深入,为制备高质量的高In组分InGaN及InN材料提供了很好的基础。本文即在此背景下,对InN基材料生长方法与特性进行了深入研究,研究成果如下:采用低压MOCVD生长方法,通过生长工艺的优化,成功地制备出不同组分的InGaN薄膜,并研究了生长工艺参数对材料特性的影响。对于在常规GaN生长条件下制备的InGaN来说,提高压强和降低温度均有利于In的结合和表面形貌的改善。在较高压强下,所制备的InGaN薄膜表面同时出现螺旋型小丘和孔这两种典型的形貌;提高反应气体的V/III比,孔的密度和尺寸均下降;提高温度可以加快生长速率,表面形貌变好,但牺牲了In组分。将InGaN薄膜材料引入到GaN异质结构中,通过生长工艺参数与结构优化,成功地生长出InGaN沟道异质结构以及InGaN背势垒双异质结构。InGaN作为沟道层时,测试结果表明,在低温势垒层结构下,得益于界面粗糙度的减小,二维电子气的电特性提高,而InGaN层组分和厚度波动等质量问题也成为限制其迁移率的重要因素;InGaN作为背势垒时,GaN沟道中载流子限域性和面密度均提高,但由于受到来自InGaN层的各种散射,迁移率下降。采用低压MOCVD生长方法,在不同的衬底和氮化条件下进行了InN材料生长的探索研究。对于蓝宝石衬底,高温氮化有利于形成较均匀和平坦的具有六角单相晶体结构的小岛;对于在Si衬底,低温氮化反而有利于提高InN的成核几率,小岛的形状不规则,尺寸较蓝宝石衬底大幅提高;对于GaN缓冲层/Sapphire衬底,在三种不同极性的缓冲层上的小岛形貌差异明显。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 InN 基材料的特性和优势

1.2 InN 基材料和器件的研究进展

1.2.1 InN 基材料的发展历程

1.2.2 InN 基材料在光电器件中的应用研究与进展

1.2.3 InN 基材料在电子器件中的应用研究与进展

1.2.4 目前存在的问题和本文的研究意义

1.3 本文主要工作

第二章 InGaN 材料的生长与表征

2.1 InGaN 材料生长理论

2.1.1 InGaN 薄膜材料生长理论

2.1.2 MOCVD 系统简介及本章实验目的

2.2 InGaN 薄膜生长工艺的初步探索（实验1）

2.2.1 实验过程

2.2.2 样品的XRD（X 射线衍射）研究

2.2.3 样品的AFM（原子力显微镜）研究

2.2.4 样品的PL（光致荧光）研究

2.2.5 样品C 的TEM（透射电镜）研究

2.2.6 实验小结

2.3 V/III 比对InGaN 薄膜特性的影响（实验2）

2.3.1 实验过程

2.3.2 样品的XRD 研究

2.3.3 样品的AFM 研究

2.3.4 样品的PL 和Raman（拉曼光谱）研究

2.3.5 实验小结

2.4 生长温度对InGaN 薄膜特性的影响（实验3）

2.4.1 实验过程

2.4.2 样品的XRD 研究

2.4.3 样品的AFM 研究

2.4.4 样品的PL 和SIMS（二次离子质谱）研究

2.4.5 样品的Raman 研究

2.4.6 实验小结

2.5 本章总结

第三章含InGaN 薄膜的GaN 异质结构的生长与特性研究

3.1 引言

3.1.1 InN 基HEMT 理论

3.1.2 InGaN 薄膜材料在GaN 异质结构中的应用

3.2 InGaN 沟道HEMT 异质结构（1）

0.03Ga_0.97N/GaN 异质结构的设计与生'>3.2.1 势垒层/8nm-In_0.03Ga_0.97N/GaN 异质结构的设计与生

3.2.2 样品的XRD 和AFM 研究

3.2.3 样品的电特性分析

3.2.4 实验小结

3.3 InGaN 沟道HEMT 异质结构（2）

3.3.1 AlGaN/InxGa1-xN/GaN 异质结构的设计与生长

3.3.2 样品的XRD、AFM 和PL 研究

3.3.3 样品的电特性分析

3.3.4 实验小结

3.4 InGaN 背势垒HEMT 异质结构

0.03Ga_0.97N /GaN 异质结构的模拟仿'>3.4.1 AlGaN/GaN/7nm-In_0.03Ga_0.97N /GaN 异质结构的模拟仿

0.03Ga_0.97N /GaN 异质结构的设计及生'>3.4.2 AlGaN/GaN/7nm-In_0.03Ga_0.97N /GaN 异质结构的设计及生

3.4.3 样品XRD、AFM 和PL 研究以及电特性分析

3.5 本章总结

第四章 InN 材料的生长与表征

4.1 引言

4.1.1 InN 材料生长的困难性

4.1.2 衬底对InN 材料生长的影响

4.2 蓝宝石衬底上InN 的材料生长与特性分析

4.2.1 实验过程

4.2.2 蓝宝石衬底上InN 材料的特性分析

4.2.3 实验小结

4.3 GaN 缓冲层/Sapphire 衬底上InN 材料的生长与特性分析

4.3.1 实验过程

4.3.2 GaN 缓冲层/Sapphire 衬底上InN 材料的特性分析

4.3.3 实验小结

4.4 Si 衬底上 InN 材料的生长与特性分析

4.4.1 实验过程

4.4.2 Si 衬底上 InN 材料的特性分析

4.4.3 实验小结

4.5 本章总结

第五章结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间研究成果

InGaN、InN及其异质结构材料生长与特性研究

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢