GaN材料的射频等离子体分子束外延生长及其掺杂特性研究

论文摘要

Ⅲ-N材料及其掺杂特性尤其是p型材料的性质，是影响其在电子和光电器件应用方面的主要因素。本论文内容围绕GaN材料的射频等离子体分子束外延生长及其掺杂特性研究展开。以探讨和解决高温微波器件用Ⅲ-N基材料的关键科学和技术问题为目标，重点对GaN材料特性及掺杂行为进行了深入的物理研究，取得了以下主要研究结果： 用RF Plasma MBE生长技术，通过对Ga束流清洗、高温氮化和低温缓冲层生长等工艺的优化，在白宝石衬底上外延GaN，获得了GaN的三维成核二维生长的生长模式。所得GaN材料XRD曲线半峰宽最佳值为560arcsec，典型值为700arcsec。 通过对不同分子束强度Ⅲ／V比生长的外延层的表面形貌、生长速率和PL谱等的测试分析，确定了RF Plasma MBE生长GaN的优化生长条件，为以后的GaN掺杂和器件结构材料外延等工作提供了材料生长基础。深入研究了Ⅲ／V比对于GaN光致发光性质的影响，发现富Ga条件生长的GaN的PL半峰宽比富N样品更窄，说明富Ga的GaN结晶质量较好。随着Ⅲ／V比增加，GaN带边峰往高能方向移动。富Ga条件生长的GaN出现黄带发光，其可能与GaN中生成能最低的VN和VGa等缺陷态有关。 采用RF Plasma MBE方法进行了GaN的Mg掺杂，研究了Mg掺杂温度、分子束强度Ⅲ／V比、生长温度等生长条件对于p型GaN电学和发光特性的影响，对于其中影响发光性质的有关缺陷和杂质态进行了探讨。研究了DAP、D+X、YL等发光峰随温度和Mg掺杂浓度的演变，并对其机理进行了分析。研究发现，DAP发光峰与Mg的掺杂浓度有一定的关系，在Mg轻掺和适度掺杂时，DAP复合占据PL谱的主导地位；当Mg重掺杂导致明显的自补偿效应时，DAP发光峰变弱，并且出现了黄带发光；随着分子束强度Ⅲ／V比增加，发光峰发生蓝移，空穴浓度相应增加；随生长温度的升高，空穴浓度也相应增加。 对于GaN材料的共掺技术进行了初步研究，采用Mg和Si对GaN进行了共掺杂，获得了p型电导的GaN，结合ADA模型分析了共掺效果，对于GaN共掺效应研究的进一步开展有指导意义。 采用RF Plasma MBE技术生长了AlxGa1-xN、InN和掺Si的GaN。在AlGaN的生

论文目录

• 第一章 引言
• 第二章 文献综述
• 2.1 GaN基氮化物半导体材料的特性及其应用
• 2.1.1 三代半导体技术
• 2.1.2 GaN基材料特性
• 2.1.3 材料性能及各方面的应用
• 2.2 GaN基氮化物半导体材料的不同生长方法
• 2.3 GaN分子束外延生长技术
• 2.4 GaN中的缺陷与杂质
• 2.4.1 GaN中的本征缺陷和非故意掺杂杂质
• 2.4.2 半导体中基本的辐射复合跃迁过程
• 2.5 GaN的掺杂方法与存在的问题
• 2.5.1 非故意掺杂的GaN
• 2.5.2 氮化物的掺杂剂
• 第三章 氮化物材料的分子束外延生长与表征
• 3.1 射频等离子体分子束外延系统
• 3.2 分子束外延生长氮化物材料的基本步骤
• 3.3 束流的校准
• 3.4 Ⅲ-N材料的MBE生长
• 3.4.1 Ⅲ-N材料的生长相图
• 3.4.2 AlGaN的生长
• 3.4.3 InN的生长
• 3.4.4 GaN的Si掺杂
• 3.5 Ⅲ-N材料的表征方法
• 3.5.1 结构特性表征
• 3.5.2 光学特性表征
• 3.5.3 电学特性表征
• 3.6 本章小结
• 第四章 Ⅲ／Ⅴ比对GaN等离子体辅助MBE生长的影响
• 4.1 Ga-rich和N-rich
• 2O₃）上外延层生长GaN'>4.2 白宝石（a-Al₂O₃）上外延层生长GaN
• 4.3 GaN的RF Plasma-assisted MBE生长工艺优化
• 4.3.1 白宝石衬底的Ga原子清洗
• 4.3.2 白宝石衬底的高温氮化
• 4.3.3 低温缓冲层工艺
• 4.4 Ⅲ／Ⅴ比对GaN MBE生长的影响
• 4.4.1 RHEED对GaN表面的表征
• 4.4.2 Ⅲ／Ⅴ比对GaN表面和生长速率的影响
• 4.4.3 Ⅲ／Ⅴ比对GaN光致发光性质的影响
• 4.4.3.1 Ⅲ／Ⅴ比对GaN的PL性质的影响
• 0X机理和跃迁过程'>4.4.3.2 D⁰X机理和跃迁过程
• 4.5 本章小结
• 第五章 RF Plasma MBE生长P型GaN及掺杂研究
• 5.1 Mg掺杂对于GaN基器件的影响
• 5.2 GaN的Mg掺杂存在问题
• 5.3 不同Mg掺杂温度对于GaN材料的影响
• +X复合发光'>5.3.1 p型GaN中的DAP和D⁺X复合发光
• 5.3.2 p型GaN中YL形成原因
• 5.3.3 p型GaN和非故意掺杂GaN的YL比较
• 5.4 不同Ⅲ／Ⅴ比对于GaN材料的影响
• 5.5 不同生长温度对于GaN材料的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 GaN共掺技术的初步研究
• 6.1 共掺技术的原理
• 6.2 GaN进行Mg和Si共掺的实验结果
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 发表论文目录
• 学位论文独创性声明
• 学位论文使用授权声明