离子注入GaN的光学和电学特性研究

论文摘要

宽带隙半导体材料——GaN，由于其优良的物理和化学性质，使其在短波区发光器件、极端条件（譬如辐射环境）器件等领域有着重要和广泛的应用潜力和良好的市场前景。故而，对于GaN材料掺杂研究成为目前半导体材料研究领域的热点之一。作为常用的器件处理工艺，离子注入是一种有效的掺杂方式。由于离子注入对GaN材料的光学和电学特性有着较大的影响，同时对于GaN的不同发光带的发光机理还没有明确统一的认识，所以本工作重点对离子注入GaN材料光学特性的影响进行了研究，并对离子注入GaN材料的电学特性的影响以及不同离子注入绝缘的应用前景进行了探讨。值得一提的是实验同时对离子共注GaN技术进行了初步的探讨。实验过程中采用的注入方法为单离子注入（Be、Mg、Al、Si）和双离子混合注入（Mg+Be、Mg+Si）。其中单离子的剂量分别为：1013、1014、1015、1016／cm2；双离子的注入剂量为：1013、1014、1015／cm2（Mg+Be）和1013、1014、1015、1016／cm2（Mg+Si），注入是在室温的条件下进行的。注入后的样品在950℃的流动氮气的环境下进行热退火，退火时间为30分钟。对退火前后的样品分别进行室温光致发光、拉曼散射光谱及霍尔效应的测量，通过对测量结果的分析得到了以下主要结论：1)通过对GaN光致发光特性的分析确定GaN材料的黄光发射起因于带隙间杂质能级间的跃迁，是典型的DsAdP跃迁，即浅施主向深受主的跃迁。Be离子注入GaN增强黄光发射是缺陷复合体VGaBei贡献的结果，该复合体在GaN带隙中引入了深受主能级。2)根据实验是在n型GaN中实现的注入以及黄光带是DsAdP跃迁的前提下，分别得到了关于施主和受主注入产生黄光发射的缺陷的浓度随不同掺杂离子浓度的两个变化关系式4．6和4．10。3)Mg／Si离子共注的实验结果表明与注入Mg的GaN蓝光带相关的深能级仍然是深受主能级，蓝光发射也是浅施主向深受主的跃迁，浅施主是Mg间位Mgi，而深受主有两种可能，或者是能级位于价带之上0．43eV的某一未知的缺陷；或者就是空间上与其分离的紧邻氮空位VN的替位MgGa，即复合体MgGaVN。共注实验结果表明施主Si与受主Mg共注GaN材料确实能够增加受主Mg的溶解性。4)对未注入GaN黄光发射负责的点缺陷（镓空位及缺陷复合体）也同样对红光发射负责，只是由于其被不同种类的扩展缺陷所影响从而对发光带的峰位产生了变化或者说能级发生了变化。5)离子注入GaN的拉曼光谱中的298cm-1（R1）的散射峰是来自声学声子贡献的无序激活拉曼散射（DARS），667 cm-1（R3）散射峰则是来自光学声子贡献的结果。360 cm-1（R2）散射峰强度随注入离子的种类、剂量以及退火温度的变化而变化，它是简单缺陷譬如空位和间隙原子等贡献的结果而不是复杂缺陷，并且极有可能是氮空位相关的缺陷引起的。6)不同种类离子注入都会使GaN薄膜产生压应力，压应力的大小与注入离子的剂量的依赖并不明显；离子注入产生的缺陷譬如空位和间位等以及注入离子与要取代的GaN主晶格位置的Ga或N原子所具有的原子尺寸的差别都会影响应力的大小，实验结果显示前者在离子注入GaN的实验中起着决定性的作用。7)由于在注入过程中产生大量的点缺陷或简单的缺陷络合物，形成电子和空穴的深层陷阱，阻止电子和空穴的流动，从而造成电阻值随离子注入剂量的增加而升高。高剂量的受主注入能够产生高的阻抗，其在高温退火后依然存在，具有一定的实用价值。8)Be离子在低剂量(1013cm-2)注入GaN后主要还是以间位施主Bei的形式存在而不是替位。当注入剂量为1014cm-2时，Si离子的注入存在严重的自补偿，形成的受主补偿了原来以及Si离子注入所增加的载流子，使得电阻值升高；更高剂量的Si离子的注入则会使得GaN的电阻值显著降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.前言
• §1.1 GaN研究概述
• §1.2 GaN生长技术
• 1.2.1 GaN薄膜的生长方法
• 1.2.2 衬底材料
• 1.2.3 缓冲层
• §1.3 GaN器件应用
• §1.4 GaN的掺杂
• §1.5 立题思路及主要研究工作
• 2.理论及实验方法
• §2.1 GaN中的缺陷及杂质
• 2.1.1 GaN的本征缺陷
• 2.1.2 GaN中杂质相关的缺陷
• 2.1.3 GaN中复合体缺陷
• §2.2 GaN中基本的辐射跃迁过程
• §2.3 离子注入
• 2.3.1 离子注入材料的物理过程
• 2.3.2 注入离子在靶中的浓度分布
• 2.3.3 单晶靶中离子注入的沟道效应
• §2.4 离子注入GaN的退火理论
• 2.4.1 离子注入退火目的
• 2.4.2 离子注入的退火方法
• 2.4.3 离子注入退火所存在的困难
• §2.5 共注理论
• 3.实验过程
• §3.1 GaN样品的准备
• §3.2 GaN样品的薄膜厚度
• §3.3 GaN样品的离子注入
• §3.4 离子注入GaN样品的退火
• 4.离子注入GaN的光致发光研究
• §4.1 引言
• §4.2 实验部分
• §4.3 结果与讨论
• §4.4 结论
• 5.离子注入GaN的拉曼散射研究
• §5.1 引言
• §5.2 实验部分
• §5.3 结果与讨论
• §5.4 结论
• 6.离子注入GaN的电学特性研究
• §6.1 引言
• §6.2 实验部分
• §6.3 结果与讨论
• §6.4 结论
• 7.论文结论
• 8.实验需改进之处及展望
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢