石墨烯上氮化物半导体的生长及缓冲层研究

发布时间：2020-04-21 01:01

【摘要】：以氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)为研究热点的Ⅲ族氮化物半导体具有优异的光电性能和宽广的可调控带隙,其在照明显示、高频高功率电力电子器件、光存储、通讯、能源等领域拥有巨大的优势和应用前景。高性能的半导体器件依赖于高质量的半导体晶元。目前,氮化铝和氮化镓晶元主要通过蓝宝石衬底上异质外延制备。在传统的外延生长过程中,如何解决外延层与衬底之间的晶格失配与热失配成为研究的重点。近年来,石墨烯等一系列二维材料的出现,为氮化铝和氮化镓的生长制备提供了新的思路。由于石墨烯二维材料表面缺少悬挂键,利用石墨烯作为衬底外延氮化铝和氮化镓,外延层与石墨烯之间通过弱的范德华力接触,不仅可以克服晶格失配的影响,有望提高晶体质量,而且石墨烯和外延层能轻松剥离,从而降低制备成本。同时,氮化铝氮化镓与石墨烯的结合可以实现柔性器件的制作,将其应用领域拓宽至可折叠设备、可穿戴设备等。本实验研究中,石墨烯上氮化镓氮化铝的外延制备借鉴了传统的两步生长法。第一步,低温生长缓冲层;第二步,高温生长连续薄膜。缓冲层的作用就是为后续连续薄膜的生长提供成核中心,它直接影响了外延层的晶体质量,也决定着器件结构功能的正常发挥。因此,有必要深入的研究石墨烯上氮化镓氮化铝的生长过程,尤其是缓冲层的生长。在具体实验中,主要选用石墨烯/碳化硅复合衬底,也初步尝试使用PECVD石墨烯作为衬底,并利用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、光致发光光谱(PL)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等表征手段对得到的缓冲层及外延层进行了分析研究。并且,通过自组装的方式在石墨烯上制备了无荧光粉多波段发光GaN基LED,详细分析了其结构特点及多波段发光的机理。
【图文】：

透视图,晶体学方向,透视图,晶体结构

晶体质量已经可以满足当前器件的需要。而，在异质外延过程中，衬底与外延层之间的晶格失配和热失配难以克较大的内部应力，产生位错甚至裂纹。在制作柔性器件时，需要将半导并与柔性衬底结合，虽然可以使用激光剥离和化学腐蚀剥离，但无疑会此需要新的技术解决上述问题。化镓氮化铝的结构和性质及制备方法aN、AlN 的结构aN 和 AlN 同属Ⅲ族氮化物半导体，因此有着基本相同的晶体结构。它键化合而成，但由于 Ga、Al 与 N 之间的电负性差别比较大，所以其化相当大的离子键成分。GaN、AlN 存在三种晶体结构：（1）纤锌矿型（锌矿型（β 相）；（3）岩盐矿型，通过外延生长得到的主要是前两种

原子堆,方式,纤锌矿,闪锌矿

石墨烯上氮化物半导体的生长及缓冲层研究第一章图 1-1 给出了纤锌矿型和闪锌矿型晶体的原子结构示意图，其中较大的圆球代表 Ga、Al 原子，较小的圆球表示 N 原子。纤锌矿型晶体结构属六方晶系，由两套六方密堆积结构沿[0001]方向（c 向）套构而成，闪锌矿型晶体结构属立方晶系，由两套面心立方结构沿[111]方向套构而成，两种结构基本类似。以 GaN 为例做具体讨论，六方GaN[0001]向与立方 GaN[111]晶体取向相同（GaN[0001]h%QGaN[111]c），每个 Ga(N)原子周围都 4 个 N（Ga）原子与之配位并以 sp3杂化的方式形成四面体结构，本质的区别在于六方 GaN 的原子层堆垛顺序是 ABABAB…，而立方 GaN 的原子层堆垛顺序是 ABCABC…，如图 1-2 所示。一般而言，纤锌矿型晶体结构为热力学稳定相，，而闪锌矿型是亚稳态，借助特定的衬底，如 GaAs（100），可以生长闪锌矿型 GaN。不同的晶体结构决定了晶体不同的物理化学性质，本论文将只讨论纤锌矿型氮化物半导体。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O649

【参考文献】