GaN基HEMT和LED结构的光电特性研究

发布时间：2020-08-25 07:00

【摘要】：自上世纪50年代,以硅(Si)为代表的第一代半导体(元素半导体)材料开始兴起并广泛应用。它取代了笨重的电子管,促进了以集成电路为核心的微电子工业和整个IT产业的发展,使人类进入“Si时代”。随着半导体行业的发展,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体(化合物半导体)材料兴起于上个世纪90年代。相对于第一代半导体材料,第二代半导体材料具有较高的电子迁移率及较大的禁带宽度,能够满足人们在高频和无线通信等领域的需求。随后,以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体(宽禁带半导体)材料开始受到人们的广泛关注,并大规模应用于微电子器件和光电子器件等领域。尤其是GaN基半导体材料,已成为半导体领域研究和开发的新热点。GaN基半导体材料的应用主要集中在以下两个方面:(i)用于制备高电子迁移率晶体管(High-electron-mobility transistor,HEMT),应用于无线通信基站、卫星、雷达、汽车电子、航空航天、核工业、军用电子等国民经济和国防建设领域中;(ii)用于制备发光二极管(light-emitting diode,LED),应用于固态照明、背光源、显示屏等诸多领域。随着材料生长技术的发展,尤其是金属有机化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition,MOCVD)外延技术的发展,使得制备高质量的GaN基半导体材料成为可能。尽管如此,GaN基半导体材料及相关器件的光电特性依然存在诸多问题。如,GaN基HEMT存在缓冲层漏电流(buffer leakage current BLC)、电流崩塌效应等问题;GaN基LED存在大电流下效率低、黄绿光LED生长困难等问题。这些都与GaN基半导体材料的缺陷、应力及载流子的输运机制有关。因此,深入研究并探讨上述结构或器件中的缺陷的起源和分布,阐明载流子的产生(注入)、输运和复合机制,对进一步优化材料生长条件、提高器件的光电特性至关重要。光谱表征手段是不可或缺的半导体表征手段,具有灵敏度高、无损伤等优点,能够表征半导体材料合金的组分含量、杂质缺陷和结构缺陷的类型以及内部载流子的产生(注入)、输运和复合机制等。本论文以光谱表征手段为主,辅以原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)、透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)、霍尔(Hall)测试、I-V 测试等表征手段,研究了 GaN基HEMT和LED结构的光电特性。主要研究工作总结如下:(一)GaN外延层的光致发光(photoluminescence,PL)特性本研究采用MOCVD的方法在蓝宝石衬底上制备了 GaN外延层,并利用PL测试详细分析了 GaN外延层的光学性质。我们观察探讨了各发光峰的起源,包括与近带边(near band eage,NBE)相关的发光峰,如自由激子的基态发光峰(FXA)、第一激发态发光峰(FXB),以及与缺陷相关的辐射峰,如紫外发光峰(ultraviolet luminescence,UVL)、蓝光带(blue luminescence,BL)、黄光带(yellow luminescence,YL)。(二)氮化铝(AlN)垒层厚度对AlN/GaN HEMT的光电特性的影响通过HRTEM,AFM,PL和Hall测试研究了 AlN垒层厚度对AlN/GaN异质结构的表面形貌、材料质量以及光电特性的影响。测试结果显示,相对于具有3 nm厚的AlN垒层的样品,AlN垒层厚度为6 nm的样品有以下特点:Pit或Crack的密度更大且更深、缺陷相关的紫外发光峰(ultraviolet luminescence,UVL)强度更强、NBE发光峰强度更弱且峰位红移、2DEG的浓度更大以及迁移率更小。研究结果表明,当AlN垒层厚度从3 nm增加到6 nm时,应力开始释放,在AlN/GaN HEMT的表面形成更多的Pit或Crack,这些Pit或Crack会从AlN/GaN HEMT的表面往下传播(沿着生长方向的反方向),甚至穿过界面到达GaN沟道层,降低了 AlN/GaN HEMT的结晶质量,导致与UVL相关的缺陷浓度的增加。尽管AlN垒层厚度增加能够引起2DEG浓度增加,但是界面质量变差导致的界面粗糙散射增强对GaN基HEMT的电学特性影响更大。(三)铁(Fe)掺杂浓度对AlGaN/GaNHEMT的光电特性的影响首先,利用MOCVD的方法在蓝宝石衬底上外延生长了不同掺Fe浓度的AlGaN/GaNHEMT,掺 Fe浓度分别为:0、1×1018和2×1020cm-3。其次,通过PL、Hall测试和I-V测试等表征手段,研究了 Fe掺杂浓度对AlGaN/GaN HEMT的光电特性的影响。研究结果显示,与不掺Fe的AlGaN/GaN HEMT样品相比,适当掺Fe的AlGaN/GaN HEMT样品(l×lO18 cm-3)会引入FeGa受主能级,使费米能级向下移动。这导致了 PL谱中YL强度的减小及一个新的发光峰的出现—红外(infrared,IR)发光峰。此外,还导致了 I-V测试中BLC的减小。当GaN缓冲层掺入过量的Fe原子(2×1020)c3)后,由于Fe源不纯净,能够在GaN缓冲层中引入大量的氧(O)杂质,O在GaN缓冲层中作为施主电离出自由电子,使费米能级上移,同时FeGa3+捕获电子导致FeGa3+浓度降低。最终,导致PL谱中YL强度增加和IR发光峰强度降低以及I-V曲线中的BLC增加。通过研究PL特性和I-V特性的内部机制,为进一步通过光学测量手段分析GaN基HEMT自由载流子的内部机制,提供了简单而有效的方法。(四)低温(low-temperature,LT)p-GaN插入层对GaN基蓝光的光电特性的影响利用MOCVD的方法在蓝宝石衬底上外延生长了两个GaN基蓝光LED样品(有和无LT p-GaN插入层),并分别测试了不同温度(6-300 K)和不同功率下两样品的PL和电致发光(electroluminescence,EL)谱,研究了 LTp-GaN插入层对GaN基蓝光LED的光电特性的影响。测试结果显示,两样品的PL特性基本相同,但是其EL特性差别较大。相对于有LT p-GaN插入层的GaN基蓝光LED样品,没有LT p-GaN插入层的GaN基蓝光LED样品的EL峰位明显红移,且伴随着强度和线宽的增加。同时,有LT p-GaN插入层的GaN基蓝光LED样品的量子限制斯塔克效应(quantum confined Stark effect,QCSE)的屏蔽效应减弱,但是峰位“S-形”的温度依赖性变化趋势更显著,此外,有LT p-GaN插入层的GaN基蓝光LED样品的外量子效率(external quantum efficiency,EQE)明显提高,尤其是在大的注入电流下,效率下垂(efficiency droop)得到6%的改善。通过对以上实验结果的分析,我们发现LT p-GaN插入层的导入能够提高GaN基蓝光LED光电特性的,主要原因包括:(ⅰ)阻止生长p-AIGaN电子阻挡层时的高温对MQWs的破坏(主要指最后一个阱层),从而防止InGaN阱层的In挥发,提高了 InGaN阱层的局域效应;(ⅱ)减少MQWs中的应力,降低QCSE,从而增大了电子-空穴的波函数交叠;(ⅲ)阻断来自底层的结构缺陷向上传播,提高后续生长的p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN接触层的结晶质量。(五)研究了 GaN基绿光LED的光电特性。首先,利用MOCVD的方法在Si衬底上外延生长了 GaN基绿光LED样品,其次,测试了不同温度和不同注入电流下样品的EL特性,研究了 GaN基绿光LED样品的光电特性。研究结果表明,在较低的注入电流范围内,增加温度能影响EL谱的注入电流依赖性。在低温范围内,如6 K,随注入电流的增加,MQWs的辐射过程中,低能局域态填充先起支配作用;当温度升高至中间温度时,如160 K,在低注入电流范围内随着注入电流的增加,辐射过程先后受到QCSE的屏蔽效应和低能局域态填充效应的支配;但是当温度升高至高温范围内,如350 K,随注入电流的增加,辐射过程先受到散射效应的支配,随后受非辐射复合效应的支配。同时,与GaN基蓝光LED相比,GaN基绿光LED的峰位随温度依赖性没有观察到明显的“S-形”变化趋势。上述EL谱的行为说明了 GaN基绿光LED具有较强的局域效应。此外,不同温度下EQE的注入电流依赖性的测试结果显示,随着温度的增加,尤其当温度超过300 K时,非辐射复合和电子的溢出越来越显著。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304
【图文】：

示意图,绝缘体,导体,半导体

１－１－１半导体的概念逡逑自然界中的物质具有多样性，如果以存在的形式分类，可以分为固体、液体、气逡逑体、等离子体等。有时需要以其导电性能进行分类，如图１－１所示。玻璃、陶瓷、塑逡逑料等都不导电，被称为绝缘体；而铁（Ｆｅ）、铝（Ａ１）、铜（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、银（Ａｇ）逡逑等导电性能良好，被称为导体。然而自然界中还存在另一类物质，它们的导电性能介逡逑于导体和绝缘体之间，如单晶硅（Ｓｉ）、锗（Ｇｅ）等，我们把这类材料称为半导体。逡逑相对于导体和绝缘体，半导体的发现时间较晚，直到１９１１年，“半导体”这个词才逡逑被考尼白格和维斯首次使用。逡逑／逦逦逡逑银铜铝炭酸碱盐地湿锗硅氮汽干干玻橡陶逡逑笔浴浴水表木逦化油纸布璃胶瓷逡逑液液逦镓逡逑Ｉ逦ｕ逦Ｍ邋？逦）１逦？逦Ｉ逡逑１逦１逦ｒ逡逑导逦ｉ逦笋逡逑\逦缘逡逑体逦体逦体逡逑图ｉ－ｉ部分物质按照导电性能分类的示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋ａｃｃｏｒｄｉｎｇ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ邋ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ逡逑导体之所以导电，是因为导体中存在的电子在外加电场的作用下做定向运动的结逡逑果。从能带论的角度来看，对于满带，其中各能级已经被电子占满，在外加电场的作逡逑用下，满带中的电子（也就是原子的内层电子）并不能产生电流，能级最高的满带被逡逑称为导带；对于被电子部分占据的能带

示意图,示意图,半导体材料,精确计算

且化学纯的半导体材料是不存在的。同年，ＲｕｄｏｌｆＰｅｉｅｒｌｓ和Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ同时逡逑提出了材料的禁带这一概念ｍ。逡逑１９３１年，Ａｌａｎ邋Ｗｉｌｓｏｎ建立了固体能带理论，如图１－３所示。同时，Ｗｉｌｓｏｎ进一逡逑步确认了半导体材料的导电性是由于杂质的存在导致的［８］。逡逑１９３８年，Ｗａｌｔｅｒ邋Ｓｃｈｏｔｔｋｙ和Ｎｅｖｉｌｌｅ邋Ｆ．邋Ｍｏｔｔ提出，在金属－半导体接触的地方存在逡逑一个势垒（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋ｂａｒｒｉｅｒ），并且精确计算出这个势鱼的参数。两人于１９７７年获得逡逑３逡逑

示意图,能带结构,间接跃迁,直接跃迁

山东大学博士毕业论文逡逑理论上，ＧａＮ基半导体材料可以通过改变ｆｆｌ－族原子（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ）之间的比例，逡逑使禁带宽度从０．７到６．２邋ｅＶ连续可调，如图１－５所示。由此可见，ＧａＮ基半导体材料逡逑的禁带宽度覆盖了紫外－可见－红外区域，再加上它是直接带隙半导体材料，因此，是逡逑良好的光电材料。逡逑Ｉ逦？逡逑ｈｖ逡逑Ｍ邋卜邋卜逡逑厂（00０｝逦－逦ｉ邋Ｆ逦／＇（０００）逦一＾＾Ｉ邋￡ｐ逡逑…￡逡逑ｋ逦ｋ逡逑（ａ）直接跃迁逦（ｂ）间接跃迁逡逑图１－５直接跃迁能带结构和间接跃迁能带结构示意图｜１６］逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ａｎｄ邋ｉｎｄｉｒｅｃｔ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ＾１６１逡逑室温下Ｉｎ＾Ｇａ＃和Ａｈ＿ｘＧａｘＮ三元合金的￡ｇ可以通过公式１．１求得［１５］逡逑Ｅｓ邋（ｘ）＝邋（１邋－ｘ）邋￡ｇ（０）邋＋邋ｘ邋￡ｇ（邋１）邋－邋ｂｘ邋（１邋－ｘ）逦（１．１）逡逑式中五ｇ（０）、￡ｇ（ｌ）分别为ＧａＮ和ＩｎＮ邋（ＡＩＮ）的禁带宽度；ｘ是Ａ１或Ｉｎ的百分比；逡逑６是带隙弯曲系数，对于Ｉｍ＿ｘＧａｘＮ和Ａｌ＾ｘＧａｘＮ的弯曲因子分别为１．４土０．１和５．０土０．５逡逑ｅＶ。逡逑§１－３邋ＧａＮ基半导体的应用逡逑ＧａＮ基半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优良特性，逡逑同时，它是直接带隙半导体，禁带宽度从０．７到６．２邋ｅＶ连续可调。因此，它的应用主逡逑要集中在以下两个方面：（ｉ）用于制备高电子迁移率晶体管（Ｈｉｇｈ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｍｏｂｉｌｉｔｙ逡逑Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ

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