非極性GaN材料的MOCVD生長(zhǎng)及表征.pdf

1、氮化鎵(GaN)材料具有直接寬禁帶，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高(2300℃)等優(yōu)點(diǎn)，在固態(tài)照明、太陽(yáng)能電池、殺菌、激光器等方面有著廣泛的應(yīng)用。研究人員一般采用在極性c面藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)[0001]GaN材料的方法。但是，極性面GaN基材料內(nèi)部存在極化電場(chǎng)，導(dǎo)致量子限制斯塔克效應(yīng)，而非極性GaN基材料則可以消除內(nèi)建電場(chǎng)，克服電子和空穴在空間上分離的問(wèn)題，提高內(nèi)量子效率。本研究采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法在r面藍(lán)寶石襯底

2、上生長(zhǎng)非極性a面GaN薄膜，并進(jìn)行了系統(tǒng)的材料性質(zhì)研究。同時(shí)，在理論上分析了AlInGaN四元材料在非極性GaN基LED方面的應(yīng)用。另外，本論文還研究了基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫茲波調(diào)制器，其對(duì)太赫茲波的最大調(diào)制頻率可以達(dá)到11MHz。
　　本研究的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1.成功實(shí)現(xiàn)了低溫GaN材料作為成核層的非極性a面GaN外延層的MOCVD生長(zhǎng)。采用兩步生長(zhǎng)的方法在r面藍(lán)寶石上得到高質(zhì)量的a面GaN外延層。同

3、時(shí)，詳細(xì)研究了在a面GaN生長(zhǎng)過(guò)程中Ⅴ/Ⅲ比、TMG流量和壓力等參數(shù)對(duì)表面形貌和晶體質(zhì)量的影響，并成功獲得了Si摻雜的n型非極性a面GaN外延層。使用高分辨X射線衍射（HRXRD）、掃描電子顯微鏡(SEM)、光致發(fā)光譜(PL)、霍爾(Hall)效應(yīng)測(cè)試儀等表征手段研究了Si摻雜對(duì)非極性a面GaN外延層的表面形貌、晶體質(zhì)量和光學(xué)電學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)Si摻雜，雖然材料的晶體質(zhì)量和表面形貌出現(xiàn)了微小的劣化，但其遷移率則從9.15

4、cm2/V·s上升到66.90cm2/V·s。
　　2.研究了AlN材料作為成核層的a面GaN外延層的MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)。采用高溫-低溫-高溫AlN緩沖層的生長(zhǎng)方法，同樣可以得到單晶a面GaN外延層。并通過(guò)高溫AlN脈沖生長(zhǎng)、在高溫AlN和GaN外延層之間插入Al組分漸變的AlGaN緩沖層等方法有效提了高晶體質(zhì)量，表現(xiàn)在HRXRD的m方向搖擺曲線的半高寬降低了28％。
　　3.采用APSYS光電子器件分析軟件對(duì)極性c面和非極

5、性a面GaN基LED進(jìn)行了模擬，并通過(guò)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、漏電流分布和內(nèi)量子效率等進(jìn)行的計(jì)算，分析了器件性能衰減的原因。本論文所做的理論模擬工作包括:(1).采用非極性Al0.089In0.018Ga0.893N/GaN量子阱有源區(qū)，成功消除了內(nèi)建電場(chǎng)，并解決了GaN與AlGaN晶格失配的問(wèn)題;(2).使用AlInGaN/GaN超晶格替代單層AlInGaN作為電子阻擋層，減小了器件的漏電流，并提高了空穴注入效率，從而提升了器件的內(nèi)量子效率和光輸

6、出功率。
　　4.采用CST軟件模擬研究了基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫茲波調(diào)制器。通過(guò)優(yōu)化金屬諧振環(huán)尺寸，最終獲得中心響應(yīng)頻率為0.34Thz左右的調(diào)制器的模擬結(jié)果。另外還設(shè)計(jì)了一種具有多頻響應(yīng)特征的太赫茲調(diào)制器，并通過(guò)CST軟件模擬了其性能。本論文還對(duì)制備的太赫茲波調(diào)制器進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)改變柵-源電壓大小可以控制高電子遷移率晶體管（HEMT)中二維電子氣的濃度，從而改變調(diào)制器對(duì)太赫茲波的透過(guò)率。結(jié)果顯示，在交流電壓下，制備的太