文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
氮化镓表面原子吸附行为及其外延生长和发光性质研究
姓名:严晗
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:徐静平;刘胜
2010-01-10
华中科技大学博士学位论文
摘要
近年来,随着材料制备技术和器件设计水平的进步,被称之为第三代半导体材
料的宽带隙半导体的研究迅速发展起来,其中氮化镓(GaN)及其 III 族氮化物半
导体材料的相关研究最为广泛。由于 III 族氮化物在短波长光电子器件和高频大功
率电子器件方面广泛的应用前景,世界各国政府有关机构、相关企业、以及风险投
资公司纷纷加大了对氮化镓基半导体材料及其器件的研发投入和支持。作为新型光
显示、光存储、光照明、光探测器件,氮化镓器件的广泛应用预示着光电信息乃至
光子信息时代的来临。本文主要围绕氮化镓及其 III 族氮化物材料,对其外延生长
表面化学吸附、外延生长技术以及材料和量子阱结构的发光性质进行研究。
本文首先使用基于密度泛函理论的第一性原理计算程序 CPMD(Car-Parrinello
Molecular Dynamics)对 III 族氮化物外延生长表面原子吸附进行了计算和分析。讨
论了外延原子在衬底表面不同位置的吸附情况,以及不同生长面原子对吸附原子吸
附能的影响。在此基础上,计算并分析了生长晶面的极性和生长晶面双轴应变状态
对外延原子吸附能的影响。结果表明,随着镓原子在生长表面覆盖率的增大,镓原
子在氮极性氮化镓的稳定性低于镓极性氮化镓,这使得镓极性的氮化镓的化学稳定
性高于氮极性的氮化镓。另外,在应变状态下,铟原子的吸附生长对衬底极性的敏
感程度非常大,不同极性的衬底生长出来的结果差距将会非常大,其次是镓原子和
镁原子,而硅原子和铝原子则相对于其他吸附原子而言不同衬底极性下生长出来的
结果差异较小。当合成三元化合物或进行掺杂时,存在不同原子之间在同一个吸附
位的竞争吸附,压应变状态下吸附原子的吸附能变化幅度较大,而张应变状态下吸
附原子的吸附能变化幅度则相对较小。因此,相对于张应变状态,压应变对氮化镓
基外延生长的影响较大。
随后,在理论计算研究的基础上,本文通过 AIXTRON 公司的 Thomas Swan
MOCVD 设备研究了氮化镓材料外延制备和氮化镓材料的 p 型掺杂。通过实验分析
V/III 摩尔比对氮化镓材料生长速率和生长晶体质量的影响,综合生长速率和生长晶
体质量两个因素,当氮化镓外延生长温度 1050℃时,本实验设备的最佳 V/III 摩尔
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比值为 1000~1500。通过四种不同生长温度的氮化镓薄膜对比,研究了氮化镓薄膜
晶体质量随生长温度变化的规律。结果表明,随着生长温度变高,氮化镓外延晶体
垂直薄膜面缺陷密度单调降低,平行薄膜面缺陷密度先降低后升高。这导致更高温
度下生长的氮化镓晶体质量变差。通过分析不同晶体质量氮化镓外延薄膜的光致荧
光光谱,研究了内部缺陷对黄光发光带的贡献。氮化镓材料中螺型位错主要影响黄
光发光带,而刃型位错则主要影响带边峰。通过构建不同厚度的缓冲层和电子势垒
层,研究了缓冲层背景电子浓度对 p 型氮化镓材料空穴浓度的影响,结果表明抑制
背景电子浓度能有效提高 p 型氮化镓掺杂效果,并且 p 型势垒层的存在能提高 p 型
氮化镓材料的空穴浓度。
最后在氮化镓外延生长工艺、材料发光性质以及氮化镓 p 型掺杂的研究基础上,
本文研究了氮化铟镓多量子阱发光性质。通过光致荧光光谱研究了氮化铟镓多量子
阱的不同结构对发光强度和发光波长的影响,并通过深入分析极化电场在这些影响
中的作用,研究了量子阱局限效应对氮化铟镓多量子阱发光的影响。结果表明,增
大阱层厚度使得激发光波形峰值波长发生较大红移,同时发光光强大幅降低,减小
阱层厚度则使得激发光波形峰值波长发生较小蓝移,同时发光光强急剧增大。通过
提高阱层两边的垒层高度,可以增强了量子局限效应,提高电子空穴复合效率。通
过改变注入电流大小研究了氮化铟镓基量子阱电致发光光谱随注入电流大小的变
化情况,结果表明,注入电流影响氮化物材料的极化电场,并引起发光层温度变化,
从而使得发光波长发生蓝移和红移,而氮化铝镓层在氮化铟镓量子阱中的引入,减
小了极化电场的影响,使得发光波长只出现红移。
本文的研究对于进一步加深人们对氮化镓材料的理解非常关键。而这对于氮化
镓基器件结构设计及制造方法改进也具有十分重要的促进作用。
关键词:氮化镓,III 族氮化物,第一性原理计算,多量子阱,光致荧光光谱
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