氮化镓基发光二极管的低频噪声研究

论文摘要

氮化镓作为第三代半导体材料的典型代表,在制作抗辐射、高频、大功率、高密度集成的电子器件以及蓝、绿、紫外发光器件和光探测器件方面有着重要应用。但是作为一种新型材料,无论是材料还是器件在制备过程中都存在一系列材料物理和工艺问题,致使其中的缺陷密度很高,因此其质量和可靠性都达不到工艺成熟的硅和砷化镓的水平。噪声与器件的内部缺陷密切相关,也直接影响着器件的性能、应用和可靠性。所以对氮化镓基材料及器件的噪声分析有助于对该类器件各种缺陷的特性,尤其是潜在缺陷对器件性能影响的研究。本论文的主要成果和结论有:1)综述了目前氮化镓材料与器件的发展状况及低频噪声研究进展,研究了氮化镓基发光二极管的结构、工作原理、制造工艺,从材料结构缺陷的角度分析了影响其性能和质量的因素。2)在宽范围偏置条件下,测量了氮化镓基发光二极管的低频噪声,实验表明,其低频噪声主要表现为典型的1/f噪声,噪声幅值与偏置电流的m次方成正比,在低电流区,m约为1,在大电流区,m约为2。并比较了其低频噪声特性与砷化镓基发光二极管的低频噪声特性的异同。3)在详细分析氮化镓基发光二极管低频噪声的产生机制上,深入研究了其偏置特性,确定了不同电流传输机制下的的1/f噪声产生机理,根据载流子数涨落和迁移率涨落理论,给出了三种典型的低频噪声的产生机理和定量模型。4)通过测试经辐照后器件中的低频噪声发现,在小注入时,器件出现了g-r噪声组分,且幅值随辐照剂量的增加而增大,并从理论上初步解释了其原因。分析辐照前后低频1/f噪声幅值随辐照剂量的变化规律,发现其1/f噪声主要分为来源于结区的基本1/f噪声和来源于串联电阻的非基本1/f噪声。并探索了可将其非基本1/f噪声幅值作为氮化镓基发光二极管抗辐照能力的表征参数。本文工作可为将低频噪声用于氮化镓基发光二极管的可靠性研究提供实验和理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 GaN材料及器件的研究进展
• 1.2.2 GaN材料及器件的低频噪声研究进展
• 1.3 论文结构
• 第二章 背景知识
• 2.1 GaN基材料与器件
• 2.1.1 GaN基材料特性
• 2.1.2 GaN基器件
• 2.2 GaN基发光二极管的工艺
• 2.2.1 衬底
• 2.2.2 GaN晶体的外延生长
• 2.2.3 GaN的掺杂技术
• 2.2.4 GaN欧姆接触
• 2.2.5 GaN基发光二极管的封装
• 2.3 GaN基发光二极管的可靠性研究进展
• 2.4 半导体器件低频噪声基础
• 2.4.1 低频噪声的基本知识
• 2.4.2 二极管中的低频噪声
• 2.4.3 低频噪声用于发光二极管的可靠性研究
• 第三章 GaN基发光二极管低频噪声实验
• 3.1 GaN基发光二极管的低频噪声测量
• 3.1.1 样品信息
• 3.1.2 实验测量系统
• 3.1.3 辐照实验
• 3.2 GaN基发光二极管的低频噪声的测试结果及特性分析
• 3.2.1 频率特性
• 3.2.2 偏置特性
• 3.3 实验结果的分析比较
• 3.3.1 GaAs基发光二极管中的低频噪声比较
• 3.3.2 结果比较分析
• 3.4 辐照对IV特性和低频噪声的影响
• 3.4.1 辐照前后IV特性的变化
• 3.4.2 辐照前后低频噪声的变化
• 3.5 小结
• 第四章 GaN基发光二极管低频噪声理论研究与应用
• 4.1 GaN基发光二极管低频噪声的产生机理及模型
• 4.1.1 GaN基发光二极管电流输运理论与IV特性
• 4.1.2 GaN基发光二极管低频噪声的产生机理及模型
• 4.2 GaN基发光二极管γ辐照效应的低频噪声研究
• 4.2.1 γ辐照损伤机理
• 4.2.2 γ辐照效应的低频噪声研究
• 4.3 低频噪声与GaN基发光二极管的可靠性
• 4.3.1 电参数和噪声参数变化的比较
• 4.3.2 探索低频噪声用于GaN基发光二极管的可靠性表征
• 第五章 结论与展望
• 5.1 论文结论
• 5.2 后续研究方向
• 5.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读期间的研究成果