Al(In)N半导体薄膜的制备与物性研究

论文摘要

AlInN的物性一般可通过改变组分的方法进行大跨度调节,并可与GaN等材料晶格匹配,因此AlInN是比AlGaN和InGaN更为优异的三族氮化物三元合金材料。然而制备高质量的AlInN是当前的一大难题。AlN/GaN和AlGaN/GaN超晶格是当前三族氮化物超晶格结构的研究热点,而AlN/InN超晶格研究几乎尚为空白。但AlN与InN在带隙与电学等方面的特性差异极大,使AlN/InN超晶格结构具有潜在的巨大应用价值。本文就如何提高AlInN质量和AlN/InN与AlN/GaN超晶格能带结构两方面展开研究,取得如下结果:1.为研究优化AlInN质量的生长方法,探讨其生长机制,本文利用单靶射频溅射法在不同条件和不同缓冲层结构上生长出了不同质量的AlInN薄膜。利用XRD,TEM等多种方法测试发现改进生长条件后薄膜质量明显提高:降低工作气压和Ar/N2比值能够极大增进AlInN的（0002）取向性,较高气压和N2比例有助于晶粒长大;在较高温度生长对薄膜质量有强烈劣化作用,退火处理能够进一步提高晶体取向性。缓冲层结构对晶体质量也有显著作用,AlInN/AlN/AlInN结构的薄膜具有最高的取向性,与a轴取向有关的衍射峰完全消失。同时,研究指出在AlInN生长中,AlInN和TiN可能是比AlN更为优异的缓冲层材料,而SiNx不适于作为缓冲层。对组分与应变的研究发现,Al组分分布在0.24-0.31之间,样片基本都受压应变,压应变增强会使Al组分具有增加的趋势。随薄膜质量提高,电学特性随之得以改善。实验中还发现,在AlInN生长初期可能会自发生成富Al和富In的双缓冲层结构。2.利用Kr?nig-Penney模型和形变势理论探讨了纤锌矿型AlN/InN和AlN/GaN超晶格系统的能带结构和不同应变模式对能带结构的影响,计算得到能带结构随亚层参量变化的一般性规律、超晶格的能量色散关系、应变造成的影响以及系统禁带宽度和导带第一子禁带宽度。研究发现通过改变亚层厚度可以从不同形式设计能带结构;应变会改变系统禁带宽度,使带阶和子能带明显窄化,价带结构趋于复杂甚至生成准能带结构。与实验结果对比发现,该模型适于模拟窄势阱结构超晶格,对于宽势阱则须考虑内建电场的作用。最后,初步分析了超晶格模拟三元合金的带隙特性与优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 AlInN 的结构和性质
• 1.2.1 晶体结构
• 1.2.2 表面形貌
• 1.2.3 温度的影响
• 1.2.4 能带结构
• 1.2.5 光学特性
• 1.2.6 电学特性
• 1.2.7 几种AlInN HEMT 机制
• 1.3 面临的问题
• 1.4 AlN/InN 和AlN/GaN 超晶格的研究背景及意义
• 1.5 本文所研究的主要内容
• 第二章 AlInN 薄膜生长与测试方法
• 2.1 AlInN 生长
• 2.1.1 制备方法
• 2.1.2 衬底和缓冲层的作用
• 2.2 磁控溅射镀膜原理
• 2.2.1 磁控溅射（Magnetron sputtering）
• 2.2.2 反应式磁控溅射（Reactive magnetron sputtering）
• 2.2.3 射频磁控溅射（RF-magnetron sputtering）
• 2.2.4 共溅射（Co-sputtering）
• 2.3 制膜系统与测试方法
• 2.3.1 磁控溅射设备
• 2.3.2 靶材
• 2.3.3 衬底
• 2.4 样品测试与分析方法
• 2.4.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.3 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.4.4 能量色散X 荧光光谱（EDX）
• 2.4.5 四探针法与Hall 测量
• 第三章 AlInN 薄膜生长于质量改进研究
• 3.1 引言
• 3.2 薄膜制备
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 结构与成分
• 3.3.2 形貌
• 3.3.3 应变与组分
• 3.3.4 电学特性
• 3.3.5 相关研究
• 第四章 AlN/InN 与AlN/GaN 超晶格能带结构研究
• 4.1 计算方法
• 4.2 能带结构讨论
• 4.2.1 无应变情形
• 4.2.2 有应变情形
• 4.2.3 模拟三元合金
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间的科研成果