非极性GaN材料的MOCVD生长及表征

发布时间：2017-07-06 12:10

  本文关键词：非极性GaN材料的MOCVD生长及表征

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【摘要】：氮化镓(GaN)材料具有直接宽禁带,化学性质稳定,熔点高(2300℃)等优点,在固态照明、太阳能电池、杀菌、激光器等方面有着广泛的应用。研究人员一般采用在极性c面蓝宝石衬底上外延生长[0001]GaN材料的方法。但是,极性面GaN基材料内部存在极化电场,导致量子限制斯塔克效应,而非极性GaN基材料则可以消除内建电场,克服电子和空穴在空间上分离的问题,提高内量子效率。本研究采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)的方法在r面蓝宝石衬底上生长非极性a面GaN薄膜,并进行了系统的材料性质研究。同时,在理论上分析了AⅡnGaN四元材料在非极性GaN基LED方面的应用。另外,本论文还研究了基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫兹波调制器,其对太赫兹波的最大调制频率可以达到11 MHz。本研究的主要研究内容和成果如下：1.成功实现了低温GaN材料作为成核层的非极性a面GaN外延层的MOCVD生长。采用两步生长的方法在r面蓝宝石上得到高质量的a面GaN外延层。同时,详细研究了在a面GaN生长过程中Ⅴ/Ⅲ比、TMG流量和压力等参数对表面形貌和晶体质量的影响,并成功获得了Si掺杂的n型非极性a面GaN外延层。使用高分辨X射线衍射(HRXRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL)、霍尔(Hall)效应测试仪等表征手段研究了Si掺杂对非极性a面GaN外延层的表面形貌、晶体质量和光学电学性质的影响。研究结果表明,经过Si掺杂,虽然材料的晶体质量和表面形貌出现了微小的劣化,但其迁移率则从9.15 cm2/V·s上升到66.90 cm2/V·s.2.研究了AlN材料作为成核层的a面GaN外延层的MOCVD生长技术。采用高温-低温-高温AlN缓冲层的生长方法,同样可以得到单晶a面GaN外延层。并通过高温AlN脉冲生长、在高温AlN和GaN外延层之间插入Al组分渐变的AlGaN缓冲层等方法有效提了高晶体质量,表现在HRXRD的m方向摇摆曲线的半高宽降低了28%。3.采用APSYS光电子器件分析软件对极性c面和非极性a面GaN基LED进行了模拟,并通过对能带结构、漏电流分布和内量子效率等进行的计算,分析了器件性能衰减的原因。本论文所做的理论模拟工作包括：(1).采用非极性Al0.089In0.018Ga0.893N/GaN量子阱有源区,成功消除了内建电场,并解决了GaN与AlGaN晶格失配的问题；(2)使用AⅡnGaN/GaN超晶格替代单层AⅡnGaN作为电子阻挡层,减小了器件的漏电流,并提高了空穴注入效率,从而提升了器件的内量子效率和光输出功率。4.采用CST软件模拟研究了基于Ⅲ-V族材料GaAs的太赫兹波调制器。通过优化金属谐振环尺寸,最终获得中心响应频率为0.34 Thz左右的调制器的模拟结果。另外还设计了一种具有多频响应特征的太赫兹调制器,并通过CST软件模拟了其性能。本论文还对制备的太赫兹波调制器进行了测试。通过改变栅-源电压大小可以控制高电子迁移率晶体管(HEMT)中二维电子气的浓度,从而改变调制器对太赫兹波的透过率。结果显示,在交流电压下,制备的太赫兹波调制器对太赫兹波呈现快速响应,其调制频率最高可以达到11 MHz。
【关键词】：非极性GaN外延层 金属有机物化学气相沉积 AlInGaN材料 电子阻挡层 高电子迁移率晶体管 太赫兹波调制器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.055
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 GaN基材料的研究背景和意义10
• 1.2 GaN基材料特性10-12
• 1.2.1 结构特性11
• 1.2.2 极化效应11-12
• 1.3 非极性面GaN基材料简介12-16
• 1.3.1 非极性面GaN基材料结构12-13
• 1.3.2 非极性GaN基材料的优势13-14
• 1.3.3 非极性面GaN基LED研究进展14
• 1.3.4 非极性a面GaN基材料在r面蓝宝石上生长所存在的问题14-16
• 1.4 本文主要研究内容及创新点16-18
• 第二章 非极性Ⅲ族氮化物材料生长及表征18-26
• 2.1 非极性Ⅲ族氮化物材料的MOCVD外延生长技术18-21
• 2.2 非极性Ⅲ族氮化物材料的表征方法21-25
• 2.2.1 高分辨X射线衍射仪(HRXRD)21-22
• 2.2.2 光致发光(PL)谱22
• 2.2.3 紫外可见分光光度计22-23
• 2.2.4 扫描电子显微镜(SEM)23-24
• 2.2.5 霍尔(Hall)效应测试仪24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 a面GaN基材料的生长研究26-38
• 3.1 引言26
• 3.2 以GaN材料作为成核层的a面GaN材料的生长研究26-33
• 3.2.1 以GaN材料作为成核层的a面GaN材料的生长26-28
• 3.2.2 样品表征与分析28-31
• 3.2.3 a面GaN基材料的n型掺杂研究31-33
• 3.3 以AlN作为成核层的a面GaN基材料的生长研究33-37
• 3.3.1 AlN作为成核层的a面GaN材料的生长过程34
• 3.3.2 AlN作为成核层的a面GaN材料表征结果与分析34-35
• 3.3.3 AlGaN作为插入层的a面GaN材料的生长研究35-36
• 3.3.4 AlGaN作为插入层的a面GaN材料表征与分析36-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章 非极性a面GaN基LED中AlInGaN四元材料的应用38-49
• 4.1 引言38
• 4.2 APSYS仿真软件简介38-39
• 4.3 理论模型39-41
• 4.3.1 通过复合中心的间接(Shockley Read Hall,SHR)复合和俄歇复合39
• 4.3.2 扩散-漂移(Diffusion-Drift,DD)模型39-40
• 4.3.3 自发极化和压电极化40-41
• 4.3.4 氮化镓基半导体材料的禁带宽度41
• 4.4 AlInGaN四元材料在不同极性GaN基LED的应用41-48
• 4.4.1 建立模型与设置参数41-42
• 4.4.2 GaN基LED的结构模拟分析42-43
• 4.4.3 GaN基LED的结构创新与模拟43-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 基于Ⅲ-Ⅴ族材料GaAs的太赫兹波调制器49-57
• 5.1 结构与原理49-50
• 5.2 太赫兹波调制器的模拟50-52
• 5.2.1 中心响应频率为0.34 THz的太赫兹波调制器的模拟结果50-51
• 5.2.2 一种多频响应太赫兹波调制器51-52
• 5.3 制备的太赫兹波调制器的实验结果与分析52-56
• 5.3.1 栅极电压对2DEG浓度的影响53
• 5.3.2 直流偏压下对太赫兹波的幅度调制53-55
• 5.3.3 交流电压下对太赫兹波的高频调制55-56
• 5.4 本章小结56-57
• 总结与展望57-59
• 全文工作总结57
• 未来工作展望57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果64

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 贾辉;非极性GaN基半导体材料的MOCVD生长与探测器研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2012年

2 许晟瑞;非极性和半极性GaN的生长及特性研究[D];西安电子科技大学;2010年

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本文编号：526149