无电极光助化学腐蚀法制备GaN微/纳米结构及其物性研究

利用K2S2O8作为氧化剂,通过无电极光助化学腐蚀GaN外延层制备多种形貌的GaN微米/纳米结构.采用扫描电子显微镜(SEM)、阴极射线发光图(CL mapping)、高分辨X射线衍射(HRXRD)、拉曼光谱(Raman spectra)和光致发光谱(PL)等先进的表征手段研究腐蚀样品的形貌、晶体结构和光学性质.结果表明:在高浓度的KOH(1 mol/L)和低强度的紫外光照下,腐蚀出高质量的腐蚀坑、微米/纳米柱和纳米线;在低浓度KOH(0.4 mol/L)和高强度的紫外光照下,制备出GaN棱锥,研究发现此微米/纳米锥体阵列为包裹了位错的GaN晶体.在腐蚀液KOH浓度低至0.1 mol/L时,GaN腐蚀样品表面形成大量的晶须,聚集成束,晶须揭露了位错;并探讨了多形貌微米/纳米GaN的形成机理.腐蚀温度和GaN外延层极性对腐蚀形貌也具有明显的影响.     

六方GaN空位缺陷的电子结构

用基于密度泛函理论平面波超软赝势法对六方GaN空位型本征点缺陷进行了理论研究.计算了GaN、Ga0.875N,Ga0.750N,GaN0.875和GaN0.750等5种模型(Ga和N不同比例情况下的空位型GaN)的能带结构、差分电子密度、电子态密度,详细讨论了各种空位缺陷对GaN性能的影响.结果显示,带隙宽度随着Ga空位或N空位的增加而不断增大,Ga空位是一种受主缺陷,N空位是施主缺陷;N空位的增加导致GaN电导率的下降.     

基于无催化剂化学气相沉积法的氮化镓纳米线制备和表征

采用化学气相沉积法，通过金属镓和氨气的直接反应，在石英衬底上沉积出GaN纳米线。利用 XRD和SEM对制备的 GaN 纳米线进行了结构和形貌的表征。结果表明合成的GaN纳米线为六方纤锌矿结构，直径为100~200 nm，长度达几微米，GaN纳米线的生长符合VLS生长模型。室温PL光谱表明GaN纳米线在395 nm和566 nm的发光峰主要与Ga空位或者N空位引起的缺陷能级相关。     

AlGaN/GaN异质结中极化效应的模拟

提出了一种将极化效应引入GaN基异质结器件模拟中的方法. 在传统器件模拟软件中, 通过在异质结界面插入d掺杂层, 利用其离化的施主或受主充当极化产生的固定电荷从而引入极化效应. 模拟了Ga面生长和N面生长的AlGaN/GaN单异质结, 结果显示只有前者在异质结界面有载流子限制效应, 而后者没有; Ga面生长的AlGaN/GaN异质结界面处自由电子面密度随Al组分以及AlGaN的厚度增加而增加. 以上模拟结果与其他报道中的实验以及计算结果一致, 说明该方法可有效地将极化效应引入GaN基异质结器件的模拟中.     

n型GaN薄膜输运性质与发光研究

系统研究了掺Si的n型GaN的表面形貌、电学性质和光学性质。GaN薄膜采用金属有机化学气相沉积系统（MOCVD）制备,通过选择不同掺杂流量的siH4,使n型载流子浓度变化范围为3×10^16-5．4×10^18cm^-3。原子力显微镜研究发现随掺杂浓度的增加样品表面形貌变粗糙,表面位错坑密度增加,表明了晶体质量下降。变温霍尔效应获得载流子浓度随温度的变化曲线（n-1/T）,拟合得到不同Si掺杂量下,Si杂质在GaN中的电离激活能在12～22meV之间变化,它是施主波函数的相互作用增强所造成。通过研究迁移率随温度（μ-T）的关系曲线,认为载流子输运过程受不同温度下的散射机制影响。光致发光谱研究了室温下GaN薄膜带边发光和黄带,发现带边发光峰的移动是伯斯坦-莫斯效应和能带重整化效应共同作用的结果,并拟合得到了能带收缩效应系数-1．07×10^-8eV／cm,指出黄带的产生和变化与不同Si掺杂浓度下Ga空位的浓度相关。     

圆锥形图形化蓝宝石衬底对MOCVD生长GaN外延膜的位错密度和应力应变影响

通过金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）方法在2．5μm×1．6μm×0．5μm圆锥形图形化蓝宝石衬底（CPSS）和没有图形化平面蓝宝石衬底（uss）上生长GaN外延膜．高分辨率X射线衍射仪（HRXRD）测试结果表明,生长在CPSS上GaN的刃位错的密度比生长在USS上GaN的刃位错密度低得多;从透射电子显微镜（TEM）观察,CPSS可有效地减小GaN外延膜中的线位错密度;拉曼散射谱显示通过CPSS可有效地减小GaN外延膜中的残余应力;比较两种外延膜中的光致发光谱（PL）,能从生长在CPSS上GaN外延膜中观察到强而尖的带边发射．以上结果表明：生长在CPSS上GaN外延膜的质量高于生长在USS上GaN外延膜的质量．     

氮气载气MOCVD外延生长GaN成核层研究

在GaN薄膜外延生长过程中,成核层的质量对外延薄膜的质量有着重要的影响。因此,虽然氮气气氛下生长高质量成核层是一个难点,但从安全和成本角度来考虑,值得去攻克这个难点。文章在氮气气氛下使用Thomas Swan 2英寸19片MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)工业级生长设备在蓝宝石衬底上生长GaN成核层并利用原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)对样品表面进行表征。进一步研究了生长温度、生长时间、Ga源流量对GaN成核层的影响。结果表明GaN成核层的生长时间在2 min内呈均匀单层生长,生长温度在750℃以下成核岛分布均匀,Ga源流量与GaN生长速率呈线性关系,可简单的通过控制Ga源流量控制GaN成核层生长速率。     

硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管

经过近十年的探索,作者在国际上率先突破了硅衬底高光效Ga N基蓝光LED材料生长技术及其薄膜型芯片制造技术,制备了内量子效率和取光效率均高达80%的单面出光垂直结构Ga N基蓝光LED,并实现了产业化和商品化,成功地应用于路灯、球炮灯、矿灯、筒灯、手电和显示显像等领域.本文就相关关键技术进行全面系统地介绍.发明了选区生长、无掩模微侧向外延等技术,仅用100 nm厚的单一高温Al N作缓冲层,制备了无裂纹、厚度大于3μm的器件级Ga N基LED薄膜材料,位错密度为5×108 cm-2.发明了自成体系的适合硅衬底Ga N基薄膜型LED芯片制造的工艺技术,包括高反射率低接触电阻p型欧姆接触电极、高稳定性低接触电阻n型欧姆接触电极、表面粗化、互补电极、Ga N薄膜应力释放等技术,获得了高光效、高可靠性的硅基LED,蓝光LED(450 nm)在350 m A(35 A/cm2)下,光输出功率达657 m W,外量子效率为68.1%.     

Ge基GaInP材料结构和光学性质研究

采用高分辨透射电子显微图像(HRTEM)、光致发光谱(PL)和原子力显微镜(AFM)技术等研究了金属有机化学气相沉积(MOVPE)技术制备的Ge基Ga In P异质外延层的结构和光学性质.研究表明,Ga In P带边发光峰能量位置随温度变化的倒"S"型变化来源于局域态和本征态发光之间的竞争;同时,实验中观察到了由[Ge(Ga,In)-V(Ga,In)]络合物所引起的1.4 e V左右的宽发光峰.不同偏角衬底的Ga In P外延层的变温PL谱和AFM分析表明,9°偏角的Ge衬底上生长的Ga In P外延层的有序度比6°偏角时减小,表面形貌更为平整.此外,Ge衬底和Ga In P之间插入超薄Al As层会增加Ga In P材料的有序度.当Al As界面层厚度由0.5 nm增加到5 nm时,观察到了由于应力增加所导致的Ga In P材料有序度的增加,从而导致载流子弛豫时间增加且呈双指数规律衰减.在Ge/Al As/Ga In P结构中,100 K下的PL谱中出现了与P空位相关的1.57 e V左右宽发光峰,并且该发光峰强度随Al As界面层厚度的增加而增强.     

Mn掺杂GaN(100)薄膜第一性原理的研究

采用第一性原理计算了Mn掺杂GaN非极性(100)薄膜的原子和电子结构.结果表明弛豫后表层Ga原子向体内移动,与Ga原子成键的表层N原子向体外移动,表层Ga-N键长收缩并扭转.通过对Mn原子掺杂在不同层总能量的比较,发现GaN(100)薄膜中Mn原子更容易在表层掺杂.弛豫后,掺杂在表层的Mn原子及与Mn原子成键的表层N原子都向体内发生很小的移动,Mn-N键没有发生明显扭转,但是弛豫后N原子向Mn原子靠近,Mn-N键收缩.Mn原子的掺杂使得Mn3d与N2p轨道杂化,产生自旋极化杂质带,自旋向上的能带占据费米面.掺杂后的薄膜表现为半金属性,适合于自旋注入.     

6H-SiC(0001)衬底结构对GaN膜结构的影响第一原理研究

用从头计算方法总能理论研究了6H-SiC(0001)(3×3)R30°衬底上生长的GaN薄膜的界面结构特性.计算结果表明:GaN膜为Ga极性的纤锌矿结构;6H-SiC(0001)衬底表面台阶引起的GaN岛合并在薄膜中产生边界堆垛失配(SMBs),而这种SMBs缺陷随着薄膜生长厚度的增加可以消除.     

氮化物无限抛物量子阱中极化子能量

采用LLP变分法研究氮化物抛物量子阱（GaN／Al0.3Ga0.7N）材料中自由极化子的能级,给出基态能量和基态到第一激发态跃迁能量随抛物量子阱宽度变化的函数关系．研究结果表明,自由极化子基态能量和跃迁能量随着阱宽的增大首先急剧减小,然后缓慢下降,最后接近GaN体材料中的三维值．这些结果在定性上与GaAs／ALGa1-x,As抛物量子阱中的值相似,但在定量上有所不同．GaN／Al0.3Ga0.7N抛物量子阱中电子一声子相互作用对极化子能量的贡献明显大于GaAs／Al0.3Ga0.7N抛物量子阱中的相应值,因此,讨论氮化物抛物量子阱中的电子态问题时应考虑电子一声子相互作用．     

四元(AlxGa1-x)0.51In0.49P(x=0.29)合金的PLE及极化PL谱

对与 Ga As晶格匹配的四元合金 (Alx Ga1-x) 0 .51In0 .4 9P(x=0 .2 9)作了 PL E及极化 PL谱的测量 .进一步探讨有序结构 Al Ga In P中在 55～ 84 K出现的峰值蓝移的温度反常现象的来源 .PL E谱的测量表明子能带的存在 ,其能级的差异正好处在高温区激活能内 ,是引起温度反常现象的原因 .通过从 17K到 112 K的极化 PL谱测量并未发现价带中 Г4 和 Г5,6子带的分裂 .推测在 Al Ga In P中 ,由晶格有序的超晶格效应引起晶体导带从 L点到布里渊区的Г点的折叠效应 .在温度大于 55K时 ,导带的载流子获得足够的能量从Г带跃迁到 L带 ,而导致了 PL谱的温度反常行为 .     

等离子体增强技术在镀铜玻璃衬底上低温制备GaN薄膜

以三甲基镓(TMGa)和氮气(N_2)分别作为镓和氮反应源,采用电子回旋共振等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)技术在镀铜玻璃衬底上沉积出氮化镓(GaN)薄膜,采用高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和光致发光(PL)测试手段,表征分析TMGa流量对GaN薄膜的结晶性能、光学性能及表面形貌特性的影响。结果表明,TMGa流量对所制备的薄膜性能的影响很大, TMGa体积流量为1.4 mL/min时,GaN薄膜具有较强的c轴择优取向和良好的表面光滑度,晶粒较大且均匀,室温PL光谱显示在354 nm处有较高强度的光致发光峰,因带隙调制而产生光学带隙的蓝移。     

GaN基高电子迁移率场效应管的可靠性研究

虽然Ga N基高电子迁移率场效应管(HEMT)在高频大功率器件方面具有突出的优势并已经在应用领域取得了重要的进展,但由于Ga N基HEMT器件的材料缺陷密度高、高电场工作环境、Ga N基异质结特有的强极化效应以及工艺复杂等问题,使得Ga N基HEMT的可靠性问题十分突出。这些问题导致现有Ga N基HEMT器件的实际表现一直与其理论值有一定差距。因此,要想实现Ga N基HEMT器件全面、广泛的商业应用,必须对其可靠性做深入的研究分析。在该文中,我们利用不同的测试方法,从不同的角度对Al Ga N/Ga N HEMT的可靠性问题进行了研究。首先,我们观察并讨论了Al Ga N/Ga N HEMT器件输运过程中由载流子的俘获导致的Kink效应。实验表明:载流子俘获过程是由高场诱导的栅极电子注入到栅极下Al Ga N势垒层中深能级的过程;载流子的去俘获过程则是由沟道中的热电子碰撞离化被俘获的电子引起的。其次,我们对Ga N基HEMT器件进行了阶梯电压应力可靠性测试,并观察到了一个临界应力电压,超过这个临界电压后Al Ga N/Ga N HEMT可以从之前的低电压应力引起的退化中逐渐恢复。研究发现:低电压应力引起的器件的退化是由电子在表面态或者体缺陷中被俘获引起的;器件性能的恢复则是由于电场诱导的载流子去俘获机制。最后,我们利用不同的测试方法详细分析了关态下Al Ga N/Ga N HEMT的击穿特性和电流传输机制。我们在三端测试中观察到了与缓冲层相关的Al Ga N/Ga N HEMT的过早硬击穿现象;然后我们利用漏极注入测试方法验证了源-漏间缓冲层漏电的存在。分析结果表明缓冲层漏电是由电场引起的势垒下降、能带弯曲和缓冲层缺陷共同决定的。在电场足够高的时候,缓冲层漏电可以引起Al Ga N/Ga N HEMT过早发生硬击穿。     

GaN纳米柱的量子效率研究

主要通过低温和室温变功率光致发光(PL)谱的实验手段,研究了GaN纳米柱和对应薄膜(作为参考)的量子效率表现.实验中发现在室温,激发光功率为0.5mW时,GaN纳米柱的积分PL强度是薄膜的12.2倍,这表明GaN纳米柱具有比薄膜更高的内量子效率和光引出效率.另外,依据高低温积分PL强度比的方法计算得到激发光功率0.5mW时,GaN纳米柱的内量子效率低于薄膜,该计算结果违背由实验现象得到的结果,这表明该内量子效率的计算方法是不合适的,因而建立了一种新模型,得到GaN纳米柱和薄膜的内量子效率比随激发光功率的变化规律,结果表明GaN纳米柱的内量子效率表现显著优于薄膜.     

MOCVD生长非故意掺杂GaN/Si薄膜的电阻率控制研究

本文采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在Si(111)衬底上生长了非故意掺杂GaN薄膜。高分辨率X射线衍射(HRXRD)和Lehighton非接触面电阻测量系统用来表征GaN外延层的质量和面电阻(Rs)。通过计算HRXRD测量得到的GaN(0002)和(10-12)半高宽(FWHM),估算了GaN外延层中的线性位错密度(TDD)。GaN外延层的Rs和TDD之间的关系被研究。下面GaN初始层生长条件,包括载气种类(H2或N2)、生长温度和生长压力,对上面GaN外延层的影响被讨论和分析。我们认为H2作为载气能提高GaN质量,减少GaN外延层中的TDD,并由于其活泼的化学特性,能通过还原反应去除GaN外延层中的O和C等杂质。另外,下面GaN初始层在低温和高压下生长,更有助于提高GaN质量和减少TDD。下面GaN初始层通过在H2载气、低生长温度(1050℃)和高生长压力(400mba)下外延生长,上GaN外延层的电阻率得到了提高。     

N掺杂SiC薄膜的制备及磁有序

采用磁控溅射技术制备了N掺杂SiC薄膜,利用X线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、物理特性测试系统对薄膜成分、结构、磁性进行了表征.结果表明,N掺杂SiC薄膜具有室温铁磁性,N掺杂含量对薄膜的室温铁磁性具有很大的影响,薄膜室温铁磁性可能是由于N替代C来控制Si空位缺陷的电荷态和自旋极化产生的.     

全In组分可调InGaN的分子束外延生长

Ⅲ族氮化物InxGa1-xN合金为直接带隙半导体,其禁带宽度随着In组分变化从3.43 e V(Ga N)到0.64e V(In N)连续可调,波长范围覆盖了0.3–1.9μm,具有电子饱和速度高和光学吸收系数大等特点,是制备高效率全光谱太阳能电池和白光照明器件的理想材料.由于缺少合适的衬底,In N和InxGa1-xN薄膜通常生长在蓝宝石或Ga N模板上.本论文综述了采用MBE方法,在蓝宝石衬底和Ga N模板上生长了In N和全组分InxGa1-xN薄膜的生长行为和材料物理性质.利用MBE边界温度控制法在蓝宝石衬底上生长高室温电子迁移率的InN薄膜,利用温度控制外延法在Ga N/蓝宝石模板上制备了全组分InxGa1-xN薄膜.     

GaN薄膜光学常数的椭圆偏振光谱研究

采用椭圆偏振光谱法,在1.5~6.5 eV光谱范围研究了纤锌矿结构GaN外延薄膜.通过物理模型建立和光谱拟合得到了GaN外延薄膜的厚度和光学常数.所得厚度值与扫描电子显微镜测量的结果相差仅为0.4%.表明所采用的模型和Cauchy吸收色散表式适用于GaN薄膜.进一步采用四相逐点拟合算法得到更全面更准确的GaN薄膜光学常数.