高质量非极性a面GaN异质外延的研究
发布时间：2022-02-13 17:50
近年来,Ⅲ族氮化物由于其优异的性能在功率电子和光电子领域的应用越来越广泛。到目前为止,绝大部分商用的Ⅲ族氮化物器件是生长在c面GaN上的。然而在c面GaN中存在的自发极化和压电极化带来的强内建电场阻碍了Ⅲ族氮化物的进一步应用。解决这一问题的一个可行性方案便是生长在生长方向上不存在极化电场的非极性GaN（a（11-20）面和m（10-10）面）。由于自支撑非极性GaN衬底价格昂贵并且尺寸又小,非极性GaN的异质外延对于大规模的工业生产是十分必要的。而在r面蓝宝石上生长a面GaN外延便是一个可行的方案。但在r面蓝宝石上外延的a面GaN中主要存在两个问题:一是高密度的堆垛层错和穿透位错;二是面内的各向异性（晶体质量和表面形貌的各向异性）。为了试图解决上述问题,在本论文中,一方面研究了直接生长在Si O2条纹状r面蓝宝石图形衬底上的非极性a面GaN;另一方面证实了低温GaN插入层可以显著改善a面GaN的表面形貌。具体研究内容和实验结果如下:1. 系统研究分析了平行于GaN的[0001]方向和[1-100]方向的条纹状r面蓝宝石图形衬底对非极性a面GaN晶体质量的影响。当条...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
GaN的晶体结构（a）纤锌矿结构；（b）闪锌矿结构和（c）岩盐结构
高质量非极性a面GaN异质外延的研究4的密排面为(111)面，原子沿[111]方向以ABCABC······的模式密堆积。图1.2（a）纤锌矿结构的第一布里渊区；（b）理论计算的GaN纤锌矿结构的能带结构Figure1.2(a)ThefirstBrillouinzoneofthewurtzitestructure.(b)TheoreticallycalculatedenergybandstructureofGaNwurtzitestructure半导体材料的电学性质与光学性质很大程度上取决于半导体材料的能带结构。因此在了解了一种半导体材料晶体结构的基础上，认识其能带结构是十分重要的。目前计算能带结构的方法包括了密度泛函理论、局域密度近似、半经验赝势与k·p微扰论等（Pughetal.，1999；Vogeletal.，1997）。GaN的第一布里渊区与其能带结构如图1.2所示（Madelung，2004）。从图中可以看出其价带顶和导带底都在Г点，其能量色散关系关于Г点对称。GaN为直接带隙材料。除GaN以外，AlN和InN均为直接带隙半导体，且三者的合金在任一组分下也均为直接带隙半导体；并且GaN与Si和GaAs等半导体材料相比具有更大的禁带宽度、更高的饱和电子漂移速度，更高的击穿电常这两方面的优势使以GaN为基础的Ⅲ族氮化物材料体系在光电子和功率电子领域都有着广泛的应用前景。表1.1中总结了GaN、AlN、InN、Si与GaAs五种半导体材料基本性质做一对比。
高质量非极性a面GaN异质外延的研究66.2eV可调（MoustakasandPaiella，2017）。从近红外一直到深紫外覆盖了整个可见光谱区，并且所有的合金都为直接带隙半导体。其中目前用途最广泛的为蓝光LED。如图1.3（b）所示为一个目前常用的采用倒装衬底（TFFC）结构的蓝光LED示意图，其中包含了n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱、p型GaN层、n型接触电极和p型接触电极。电子与空穴分别从n型GaN区和p型GaN区输入多量子阱区，在量子阱中复合并发出光子（Lietal.，2016）。GaN基LED的应用十分广泛，其中蓝光LED与荧光粉相结合可直接用于白光显示与照明光源；紫外LED则运用在杀菌、固化与传感器等众多领域（Kneissletal.，2019）。随着GaN基LED潜力被不断地挖掘，目前新型的应用领域又有MicroLED显示、可见光通信与农业照明等领域（Wuetal.，2018；Haasetal.，2016；Massaetal.，2008）。图1.3（a）氮化物半导体能带宽度对应晶格常数的示意图；（b）InGaN倒装芯片LED的示意图Figure1.3(a)Schematicoftheenergybandgapversuslatticeconstantofnitridesemiconductors;(b)generaldesignofTFFCInGaNLEDs而在GaN基LED的基础上学者们又研发出了GaN基的LD。第一个GaN基的LD由日本的Nakamura等人（1996）于1996年研发成功。至此以后蓝光LD的性能和稳定性逐年提升，到1997年已经实现了超过1000h的使用寿命（Nakamuraetal.，1997）。GaN基的蓝光/紫光LD在高密度光学数字存储领域有
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化镓单晶生长研究进展[J]. 任国强,王建峰,刘宗亮,蔡德敏,苏旭军,徐科. 人工晶体学报. 2019(09)
[2]r面蓝宝石衬底上采用两步AlN缓冲层法外延生长a面GaN薄膜及应力研究[J]. 颜建锋,张洁,郭丽伟,朱学亮,彭铭曾,贾海强,陈弘,周均铭. 半导体学报. 2007(10)
本文编号：3623645
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
GaN的晶体结构（a）纤锌矿结构；（b）闪锌矿结构和（c）岩盐结构
高质量非极性a面GaN异质外延的研究4的密排面为(111)面，原子沿[111]方向以ABCABC······的模式密堆积。图1.2（a）纤锌矿结构的第一布里渊区；（b）理论计算的GaN纤锌矿结构的能带结构Figure1.2(a)ThefirstBrillouinzoneofthewurtzitestructure.(b)TheoreticallycalculatedenergybandstructureofGaNwurtzitestructure半导体材料的电学性质与光学性质很大程度上取决于半导体材料的能带结构。因此在了解了一种半导体材料晶体结构的基础上，认识其能带结构是十分重要的。目前计算能带结构的方法包括了密度泛函理论、局域密度近似、半经验赝势与k·p微扰论等（Pughetal.，1999；Vogeletal.，1997）。GaN的第一布里渊区与其能带结构如图1.2所示（Madelung，2004）。从图中可以看出其价带顶和导带底都在Г点，其能量色散关系关于Г点对称。GaN为直接带隙材料。除GaN以外，AlN和InN均为直接带隙半导体，且三者的合金在任一组分下也均为直接带隙半导体；并且GaN与Si和GaAs等半导体材料相比具有更大的禁带宽度、更高的饱和电子漂移速度，更高的击穿电常这两方面的优势使以GaN为基础的Ⅲ族氮化物材料体系在光电子和功率电子领域都有着广泛的应用前景。表1.1中总结了GaN、AlN、InN、Si与GaAs五种半导体材料基本性质做一对比。
高质量非极性a面GaN异质外延的研究66.2eV可调（MoustakasandPaiella，2017）。从近红外一直到深紫外覆盖了整个可见光谱区，并且所有的合金都为直接带隙半导体。其中目前用途最广泛的为蓝光LED。如图1.3（b）所示为一个目前常用的采用倒装衬底（TFFC）结构的蓝光LED示意图，其中包含了n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱、p型GaN层、n型接触电极和p型接触电极。电子与空穴分别从n型GaN区和p型GaN区输入多量子阱区，在量子阱中复合并发出光子（Lietal.，2016）。GaN基LED的应用十分广泛，其中蓝光LED与荧光粉相结合可直接用于白光显示与照明光源；紫外LED则运用在杀菌、固化与传感器等众多领域（Kneissletal.，2019）。随着GaN基LED潜力被不断地挖掘，目前新型的应用领域又有MicroLED显示、可见光通信与农业照明等领域（Wuetal.，2018；Haasetal.，2016；Massaetal.，2008）。图1.3（a）氮化物半导体能带宽度对应晶格常数的示意图；（b）InGaN倒装芯片LED的示意图Figure1.3(a)Schematicoftheenergybandgapversuslatticeconstantofnitridesemiconductors;(b)generaldesignofTFFCInGaNLEDs而在GaN基LED的基础上学者们又研发出了GaN基的LD。第一个GaN基的LD由日本的Nakamura等人（1996）于1996年研发成功。至此以后蓝光LD的性能和稳定性逐年提升，到1997年已经实现了超过1000h的使用寿命（Nakamuraetal.，1997）。GaN基的蓝光/紫光LD在高密度光学数字存储领域有
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化镓单晶生长研究进展[J]. 任国强,王建峰,刘宗亮,蔡德敏,苏旭军,徐科. 人工晶体学报. 2019(09)
[2]r面蓝宝石衬底上采用两步AlN缓冲层法外延生长a面GaN薄膜及应力研究[J]. 颜建锋,张洁,郭丽伟,朱学亮,彭铭曾,贾海强,陈弘,周均铭. 半导体学报. 2007(10)
本文编号：3623645
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