GaN基和ZnTe半导体材料的制备和光学特性研究

发布时间：2020-09-27 16:41

　　 近年来,半导体材料生长技术的不断进步和对半导体器件发展要求的不断提高,极大地推动了化合物半导体材料的合成和器件开发等领域的研究工作的进展,并且取得了许多研究成果。其中,以GaN及其合金(如InGaN、AlGaN、AlInGaN等)为代表的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料和以Zn基化合物(如ZnTe等)为代表的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,更是得到了快速的发展。一方面,Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体GaN及GaN基多元合金都是直接带隙材料。并且通过改变其组分配比,其能带带隙可以实现从0.7 eV到6.28 eV的连续变化,其发光波长覆盖了从红外、可见到紫外的整个区域。再者,GaN材料具有发光特性优良、电子漂移速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点,在光电子和微电子领域有着巨大的潜在应用前景。特别是在发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外发光探测器及高电子迁移率晶体管(HEMT)等领域的广泛应用前景,更激发了人们对于GaN及其合金材料的研究兴趣。作为GaN基LED、LD等光电子器件的核心部分,InGaN/GaN多量子阱有源区的结构特性和光学特性也成为了半导体光电子领域的研究热点。这是因为,首先InGaN三元合金中In组分起伏所引起的富铟区(In-rich region,具有类量子点结构)可以形成束缚载流子的势阱,并有效抑制载流子流向非辐射复合中心;此外,GaN垒层和InGaN阱层在晶格常数和热膨胀系数方面的差异,也会导致有源区产生较大的极化电场。该极化电场会导致InGaN阱层中的电子和空穴分别流向阱层的两侧,造成电子和空穴的波函数叠加减少,并导致辐射复合效率降低,此即所谓的量子限制斯塔克效应(QCSE)。另外,由于生长工艺的不成熟、结构参数的不完美,以及合适衬底的缺乏(如GaN外延材料和蓝宝石衬底之间存在着高达13%的晶格失配),其外延层中(包括GaN缓冲层、n-GaN层、GaN垒层、InGaN阱层以及p-GaN层等)将包含着较大密度的位错、缺陷和杂质,这些因素作为非辐射复合中心将会极大地影响器件的发光效率。因此,深入研究InGaN/GaN多量子阱基LED的发光特性及内部载流子动力学机制对提高该结构及相关结构的发光效率具有重要的指导作用。此外,作为HEMT器件的核心组成部分,对于AlGaN/GaN异质结构的电学特性调查及缺陷表征,也是该领域的研究热点。另一方面,II-VI族化合物半导体ZnTe室温带隙为2.26eV,也为宽禁带直接带隙半导体材料,长久以来ZnTe被看做制备绿光LED的很有前景的材料,是GaN基LED照明材料的一个强有力的补充。并且ZnTe在THz探测器、光波导、太阳能电池和调制器方面有广阔的潜在应用前景,因此对ZnTe材料及相关器件开展研究具有重要的理论意义和现实意义。目前,对ZnTe的研究尽管取得了很大的进展,但在ZnTe外延材料及其相关发光器件的制备过程中,仍然存在很多问题,如ZnTe的外延质量差、发光效率较低等。因此,进一步研究高质量ZnTe单晶和外延材料的制备工艺和光学特性具有重要意义。本论文的主要研究工作如下:(a)利用MOCVD方法制备了 GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱、AlGaN/GaN异质结结构;(b)利用MOVPE、垂直布里基曼(Bridgeman)方法分别制备了 ZnTe外延层和体单晶;(c)利用PL谱、EL谱、霍尔(Hall)效应和透射电子显微镜(HRTEM)等手段对上述样品进行了测试、表征和分析。现简述如下:(一)InGaN/GaN多量子阱结构的光致发光(photoluminescence,PL)特性调查了 InGaN/GaN多量子阱结构载流子的产生、传输和复合发光机制。在低激发功率范围内(小于3 mW),InGaN/GaN多量子阱结构的PL谱的温度依赖性显示,InGaN阱层的PL谱包含了起因于相分离的两种辐射成分:与InGaN母体相关的PM辐射和与富In量子点相关的PD辐射。这个相分离也被高分辨HRTEM影像所证实。在0.5 MW的最低功率下,PM发光峰和PD发光峰的温度依赖性显示,随着温度的增加,InGaN/GaN多量子阱的复合发光过程不仅包含了载流子在各自相结构中的弛豫过程和随后的热膨胀过程,也包含了载流子在两个相结构之间的传输过程。另一方面,随着激发功率的增加(从0.5 μW到50mW),PD峰在大约3mW处逐渐消失,同时,PM峰位能量(线宽)的温度依赖行为则逐渐地从强“S型”(“W型”)温度依赖性变为弱“S型”(近似的“V型”)关系,并直到变为一个倒“V型”(一个近似的单调增加)温度依赖性。这些结果显示,随着增加激发功率,载流子的局域效果逐渐降低,并且富In量子点相关的辐射跃迁被逐渐增强的InGaN母体辐射所淹没。同时,载流子的热化效应逐渐增强,并且在高激发功率下占据支配地位。(二)InGaN/GaN多量子阱结构的电致发光(electroluminescence,EL)特性为了获得具有固定发光波长的高效InGaN基LED,我们制备了两个具有不同铟组份和阱宽但发光波长近似相同的InGaN/GaN多量子阱基蓝光LED样品,并且在6-300K的温度范围内、0.001-200mA的注入电流范围内调查了它们的EL谱。在不同温度下,EL峰位能量和线宽的电流依赖性显示,在6 K的最低温度下、在初始(较低)电流范围内,对于样品A(具有较高的In含量、较小的阱宽)而言,其低能局域态的填充效应支配着InGaN/GaN多量子阱的复合发光过程。相比之下,对于样品B(具有较低的In含量、较大的阱宽)而言,则是量子限制效应的库仑屏蔽效应支配着InGaN/GaN多量子阱的复合发光过程。这些行为主要被归因于以下事实:多量子阱中较高的铟含量诱发了一个较强的压电场,并且这导致了更显著的电子泄漏和相对显著的载流子局域效应(由于库仑屏蔽效应的无效)。尽管样品A有较小的阱宽,然而,在高于大约80 K的温度下,它的显著的库仑屏蔽效应也证实了自身有较强的压电场。此外,与样品B相比,样品A显著的效率下降(efficiency droop)也进一步证实了上述结论:与前者相比,由于后者具有更强的压电场和更小的阱宽,所以后者具有比前者更大的电子泄漏和/或溢出。(三)GaN外延层及AlGaN/GaN异质结的光电特性本研究采用MOVPE的方法在c面蓝宝石衬底上制备了 GaN外延层及AlGaN/GaN的异质结,并利用PL和Hall测试调查了 GaN外延层的光学性质以及AlGaN垒层厚度对AlGaN/GaN异质结光电性特性的影响。对于GaN外延层结构,我们观察、探讨了各发光峰的起源,包括带边自由激子的基态发光峰(FXA)、第一激发态发光峰(FXB),以及几个与杂质或缺陷相关的辐射,如蓝光带(BL)、黄光带(YL)等。另一方面,对于AlGaN/GaN异质结结构,其PL测试结果显示,随着AlGaN垒层厚度的增加,FXA的峰位能量逐渐蓝移、且其一级声子伴线(FXA-LO)的强度逐渐变弱,同时,杂质相关的发光峰(如BL和YL等)强度逐渐增强。这是由于GaN层的双轴应力及结晶质量都会受到AlGaN垒层厚度的影响。Hall测试结果显示,随着AlGaN垒层厚度的增加,2DEG的浓度增加,但迁移率先增加后减小。这是由于表面施主能级、界面处的极化电场以及各种散射机制都会受到AlGaN垒层厚度的影响。(四)ZnTe异质外延层和ZnTe体单晶的制备及光学特性在这项工作中,ZnTe外延层是采用MOVPE方法在(100)GaAs衬底上制备而成,而ZnTe体单晶则是采用垂直Bridgeman法制备而成。在2 μW到40 mW的激发功率范围内、6到300K的温度范围内,我们调查了它们的PL谱的激发功率和温度依赖性。对于两个样品的PL谱,都显示了尖锐的中性浅受主相关的束缚激子发射峰值(Ia),并且与深结构缺陷相关的发射(如Y线)都没有观察到。这表明两种结构都具有良好的结构质量。此外,尽管ZnTe外延层显示了一个较弱的发射峰Ia(可能是由于As原子从GaAs衬底扩散到ZnTe外延层中和/或由于应变引起的ZnTe外延层晶体质量的降低),然而,与ZnTe体晶体相比,在ZnTe外延层中既没有观察到DAP发射、也没有观察到e-A发射。所有这些结果表明,通过进一步优化生长过程,可以获得与ZnTe体晶体或ZnTe同质外延层相当的高质量ZnTe异质外延层。本论文的主要创新点如下:(1)详细研究了不同激发功率下InGaN/GaN多量子阱结构PL谱的积分强度、峰位能量和线宽的温度依赖性。结果发现,铟组分起伏造成了 InGaN阱层的相分离:InGaN母体和富In量子点。随着激发功率的增加,局域效果降低(归因于随着载流子的填充,局域态逐渐饱和)。此外,随着温度增加,在低温范围内一部分载流子逐渐从量子阱母体驰豫到富铟量子点中,然而,在高温范围内量子点中的局域载流子又由于热膨胀而返回(溢出)到InGaN母体。这些结果有助于全面理解InGaN/GaN多量子阱内部载流子的产生、传输和复合发光机制;(2)详细研究了不同激发功率、不同温度下具有不同铟组份和阱宽但具有相似发光波长的两个InGaN/GaN多量子阱基LED的EL谱。结果表明,与具有低铟组份和宽阱的样品B相比,具有高铟组份和窄阱的样品A展示了显著的电子泄露(或溢出)。这被归因于较高的铟组份诱发了较强的极化电场,以及较窄的阱宽导致了较强的量子限制效应(QCE),并且因此造成了电子泄露(或溢出)的增加。这说明探索合适的In含量和阱宽,对于制备高效InGaN/GaN多量子阱基LED是至关重要的;(3)通过PL和Hall测试,研究了不同的AlGaN垒层厚度对AlGaN/GaN异质结光电特性的影响。结果表明,随垒层厚度增加,与2DEG和杂质相关的发光峰的强度增加。这说明:随垒层厚度增加,2DEG的浓度增加且GaN的结晶质量降低。这个结论也为Hall测试结果所证实:随垒层厚度增加,2DEG浓度一直增加,但迁移率先增加后减小。这说明探索一个合适厚度的AlGaN垒层,对于制备高性能AlGaN/GaN基HEMTs器件是必要的;(4)研究了 ZnTe异质外延层和ZnTe体单晶的PL谱的温度和激发功率依赖性。结果发现,ZinTe外延层具有和ZnTe体单晶可比拟的结晶质量。这说明通过进一步优化MOCVD生长工艺和样品结构参数,是完全有可能在GaAs衬底上生长出高质量ZnTe异质外延层结构的。该研究结果为制备高质量ZnTe提供了重要的解决方案。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN304.2
【部分图文】：

Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂａｎｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｗｕｒｔｚｉｔｅ邋ＧａＮ［１９］逡逑ＧａＮ、ＡＩＮ和ＩｎＮ可以形成三元或四元合金，通过调节Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ三种元逡逑素的组分，可以实现带隙从０．７邋ｅＶ到６．２邋ｅＶ的连续可调，如图１．３所示。室温逡逑下，Ｉｍ－ｘＧａｘＮ和Ａｈ－ｘＧａｘＮ合金带隙可由公式（１－１）计算得出逡逑＾ｇ（ＡＩＧａＮ’ＩｎＧａＮ）邋＝邋（１邋一邋Ｘ）五ｇ（ＧａＮ）邋＋邋＾＾（

本文编号：2828116