（粒子物理与原子核物理专业论文）c注入、及csi和cmg共注n型gan发光性质的研究.pdf

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2 时，由于注入损伤的加重，g a n 中c i 或c i c n 复合体的浓度会显著增大，撑1 ，圯，和躬型g a n 的黄光发射强度都表现出一个 明显的反弹。 对于g a n 的带边峰发射，根据其峰位随c 离子注入剂量的增加逐渐向高能 方向偏移的实验结果，我们推断该发射带是由束缚在浅施主( v n ) 能级上的束 缚激子跃迁和浅施主到浅受主间跃迁( 妤) 的谱线重叠而成。g a n 带边峰峰 位的偏移被认为是由于不同离子注入剂量下；v n 浓度的不同造成的。 另外，通过对比撑1 和撑2 型g a n 的黄光峰和带边峰发射强度随c 离子注入剂 兰州大学博士论文摘要 量的变化，我们发现离子注入对黄光发射的减弱要比对带边峰发射的减弱大得 多，并将此归因于在离子注入过程中g a n 表面对与黄光发射相关的点缺陷具有 很强的吸附作用，并且这种吸附作用会随着离子注入深度的增加而减弱。 c + s i 和c + m g 双离子共注g a n 的研究表明，m g 离子注入对1 1 型g a n 的 黄光发射有抑制作用。而深受主v i 丽或v g a - o n 复合体被认为与g a n 红光发射有 关。当c 掺杂的浓度增大，越来越多的c 开始形成c g a 时，g a n 中的红光发射 明显减弱。因此在高注入剂量下( 1 0 1 5 c m 2 ) ，c 杂质对& a n 的红光发射有抑制 作用。 4 兰州大学博士论文摘要 a b s t r a c t g a l l i u mn i t r i d e ( i sa l li m p o r t a n t 、) i r i d ee n e r g yg a ps e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l w i t hg o o dp r o p e r t i e s t h ef i l m sg r o w t h , g a n - b a s e dd e v i c e s ，a n dt h ef o r m a t i o na n d e n e r g yl e v e l so fp o i n td e f e c t si ng a na l ei n v e s t i g a t e d c a r b o ni so f t e np r e s e n ti ng a n f i l m sa sar e s i d u a li m p u r i t y , a n di sa l s oi n t e n t i o n a ld o p e dt op r o d u c e p - t y p eg a n c _ 一一_ ，_ 、- - _ _ _ 。一 i sb e l i e v e dt oh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nt h eo p t i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so rg a n mt h i s p a p e r , t h el u m i n e s c e n c e s o fc i m p l a n t a t i o n a n dc + s ia n dc + m g c o i m p l a n t a t i o ni nu n i n t e n t i o n a ld o p e dn - t y p eg a na s t u d i e d t h r e ek i n d so fg a ns a m p l e sw e r eu s e di nt h ee x p e r i m e n t s i nt h e i ra s - g r o w n s t a t e s ，拌1s a m p l e sh a dy l ( y e l l o wl u m i n e s c e n c e ) ，群2s a m p l e sh a ds t r o n gy l ，a n d 群3 s a m p l e sh a dn oy l ci o n sw e r ei m p l a n t e di ns a m p l e sa tr o o mt e m p e r a t u r ew i t h d i f f e r e n td o s e sf r o m1 0x10 1 3t o1 0x10 1 7 c m - 2 ，w h i l ec + s ia n dc + m gw e r e i m p l a n t e dw i t hd o s e sf r o m1 0x 10 1 3t o1 ox10 1 6 c m 2 p o s t - a n n e a l i n gw a sd o n ei na q u a r t zo p e n - t u b ef u r n a c ei naf l o w i n gn 2g a sf o r3 0r a i na t9 5 0 0 c b yt h e m e a s u r e m e n t sa n da n a l y s e so fp h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r aa n dm i c r o r a m a ns p e c t r a , t h ei n f l u e n c e so fci m p l a n t a t i o no i ly la n dn b e ( n e a rb a n de d g e ) e m i s s i o n s ，邪w e l l a st h ei n f l u e n c e so fc + s ia n dc + m g c o i m p l a n t a t i o no ny l a n dr l ( r e d i nn - t y p eg a na s t u d i e d t h eo r i g i n so fy l ，r la n dn b ee m i s s i o n s e x p o fci m p l a n t a t i o ns u g g e s t st h a tcc a l le n h a n c ey li n 券3 & a ne f f e c t i v e l y i na d d i t i o nt ov c - , a n dv c 扭- o sc o m p l e x ，c io rc i c nc o m p l e xi s a n o t h e rd e e p l e v e lc e n t e ra s s o c i a t e dw i t hy li ng a n w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e i m p l a n t a t i o nd o s e ，i e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h el e v e lo fi m p l a n t a t i o n - p r o d u c el a t t i c e d a m a g ea tt h ed o s eo f1 0 xl0 1 7e m - 2 ，t h ed i f f u s i v i t yo fc ib e c o m e sp o o r c o n s e q u e n t l y , t h ec o n c e n t r a t i o no fc io rc i - c sc o m p l e xi se n h a n c e d ，w h i c hc o u l dm a k et h ey l i n t e n s i t yo f # 1 ，舵a n d 群3g a ni n c r e a s e b a s e d0 nt h ee x p 商m e n 影r e s u l tt h a tt h ep e e k 。ft h en b ee i n i s s i o ns h i rt 。俐s 5 博士论文 h i 曲- e n e r g yd i r e c t i o nw i t hi n c r e a s i n gci m p l a n t a t i o nd o s e ，t h en b ee m i s s i o ni s a t t r i b u t e dt ot h et r a n s i t i o n so fb o u n de x c i t o n ( b o u n dt oas h a l l o wd o n o rv ma n dd a p ( as h a l l o wd o n o rt os h a l l o wa c c e p t e rp a i r ) t h es h i f to ft h ep e e ko ft h en b e e m i s s i o n i s t h o u g h tt ob ei n d u c e db yt h ev a r i e t yo ft h ev sc o n c e n t r a t i o na td i f f e r e n t 唧a h n t a 删t i o nd 。o 玛s e 位唧4 们呻。删证舵洲灿哪帆 c o m p a r e dw i t ht h eu n i m p l a n t e ds a m p l e ，y lo fci m p l a n t e ds a m p l e se x h i b i t e dm a r k e d r e d u c t i o n s ，w h i l et h en e a rb a n de d g e ( n s e ) e m i s s i o n sw e r er e d u c e di nl e s se x t e n t t h er e s e ti sb e l i e v e dt ob ec a u s e db yt h es t r o n ga d s o r p t i o no nt h eg a ns u r f a c ef o rt h e m i g r a t i n gp o i n td e f e c t si n v o l v e di ny ld u r i n gi o ni m p l a n t a t i o n t h ea d s o r p t i o ni s w e a k e nw i t ht h ei n c r e a s i n go fi o ni m p l a n t e dd e p t h t h es t u d yo ft h ec + s ia n dc + m gc o i m p l a n t a t i o ns h o w st h a tm gd o p i n g s u p p r e s s e sy li ng a ne f f e c t i v e l y v g aa n dv c 硪- o sc o m p l e xa r et h o u g h tt ob er e l a t e d w i t hr li nc l a n w i t ht h ei n c r e a s i n go fci m p l a n t a t i o nd o s e ，m o r ea n dm o r eci o n s f o r mc g a ，a n dt h er li n t e n s i t yi sr e d u c e do b v i o u s l y h e n c e ，ci m p l a n t a t i o nc 孤 s u p p r e s sr li ng a n a th i 曲d o s e s ( l 0 1 5 c m 2 ) 6 兰州大学博士论文第一章前言 第一章前言 氮化镓( o a n ) 是继第一代半导体硅( s i ) 和第二代半导体砷化镓( c r a m ) 之后 发展起来的第三代半导体材料之一，其它主要的第三代半导体还包括碳化硅 ( s i c ) 、氧化锌( z n o ) 等。第三代半导体由于其禁带宽度较s i 、c j a a s 等材 料更宽，也称为宽禁带半导体材料( 禁带宽度大于2 2 e v ) ，它们具有电子漂移 饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、 大功率和高密度集成的电子器件，十余年来得到了国内外众多研究团体的广泛重 视和研究【1 4 1 。表1 1 对比了几种半导体材料的基本特性。 本章主要从g a n 的基本性质、生长和器件制备等三个方面对g a n 材料奉身 及其在当前的研究和应用情况进行了概述，并对本论文的选题依据做了简单的介 绍。 表1 1 几种半导体材料的基本特性比较翻 7 兰州大学博士论文第一章前言 1 1g a n 基本性质 q i n 最早于1 9 3 2 年由j o h n s o n 等人【6 1 合成，但是当时合成的g a n 只是粉末 形态，完全是化学意义上的。直到1 9 6 9 年才由h p m a r u s k a 和j j t i e t j e n t t l 采 用氢化物气相外延法( h v p e ) 在蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 衬底上成功制备了单晶g a n 晶体薄膜。但此后很长一段时期，由于受到没有合适的衬底材料以及n 型本底载 流子浓度太高等问题的限制，g a n 的研究进展十分缓慢。在进入9 0 年代以后， 由于缓冲层技术的采用【8 9 1 和p 型掺杂技术的突破 1 0 , l l 】，g a n 基器件取得了非常 迅速的发展，目前已经广泛应用于蓝、绿光发光器件、紫外光探测器和高温大功 率器件的制作【1 2 1 。 l ： 糯t n 覆op o l y t y p u - n a a 级 氇均 曩掣? 啪城翻哪肭删一加蛐掣一0 ：誊| ；j ：囊誊懈帆搬榄毫 佃喊懈一：曩蠹i i i i 羞i ! i i ：； = = = ：掣：。：。 一+ ! j = = 1 = ：= ：_ ：。 图1 1 - 1g a n 的晶体结构示意图：( a ) 立方晶系的闪锌矿结构，六方晶系的纤锌矿结构 g a n 的晶体结构一般有两种，一种是立方晶系的闪锌矿结构( z i n cb l e n d e ) ， 另一种是六方晶系的纤锌矿结构( w u r t z i t e ) ，如图1 1 - 1 所示。纤锌矿结构是由 两套六方密堆结构沿c 轴方向平移5 c 8 套构而成，闪锌矿结构则由两套面心立 8 基a 墨a b燕誊；|o 参舂c ，b a 兰州大学博士论文第一章前言 方结构沿对角线方向平移1 4 对角线长度套构而成。这两种结构基本类似，每个 ( v ) 族原子都与最邻近的4 个v ( ) 族原子成键。其区别在于堆垛顺序： 纤锌矿结构沿c 方向的堆垛顺序为a b a b a b ：闪锌矿结构沿 方向 的堆垛顺序为a b c a b c 。在通常情况下，热力学稳定相是纤锌矿结构，而闪 锌矿结构是亚稳态。 g a n 材料非常坚硬，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水、酸和碱， 其熔点较高，约为1 7 0 0 。g a n 的电学性质是决定器件性能的主要因素，其电 子室温迁移率目前可达9 0 0 c m 2 v 1 s 一。在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的g a n 样品存在较高( 1 0 1 8 c i n 3 ) 的n 型本底载流子浓度，现在较好的g a n 样品的本 l 1 底n 型载流子浓度可以降到1 0 1 6 c m - 3 左右。由于n 型本底载流子浓度较高，为制 备p 型g a n 材料带来了困难，目前已经可以制备的p 型g a n 材料的载流子浓度 在1 0 1 1 。1 俨鼬3 。 1 2g a n 生长研究 g a n 因为在高温生长时氮的离解压很高，所以很难得到大尺寸的单晶材料， 它一般都是在其它衬底材料上进行异质外延生长。在各种生长技术中，卤化物气 相外延( h 忡e ) 、金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 和分子束外延技术( m b e ) 已经成为制备o a n 及其相关三元、四元合金薄膜的主流生长技术。此外，近年 来随着研究工作的深入，一些新的生长方法也被开发出来。 一卤化物气相外延( 1 p e ) 技术 人们最早就是采用这种技术制备出了g a n 单晶薄膜【刀，它也被认为是 m o c v d 技术的前身。这种生长技术【1 2 ，1 3 】以g a c l 3 为渤源，以n h 3 为n 源，一 般采用蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 作为衬底材料，在1 0 0 0 c 左右的生长温度下，可以快速 生长出质量很好的g a n 薄膜，生长速度最快可以达到每小时几百微米( a n ) ， 位错密度可以降到1 0 7 c m - 2 以下。 如上所述，采用这种技术可以快速生长出低位错密度的厚膜，这种厚膜可以 用做采用其它方法进行同质外延生长的衬底，也可以和衬底材料分离成为体单晶 9 兰州大学博士论文 第一章前言 g a n 晶片的替代品。h v p e 的缺点是很难控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性， 影响了g a n 材料纯度的进一步提高。 二金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 技术 这种生长技术( 8 9 1 一般以g a 金属有机物( t m g ) 做为g a 源，以n i - 1 3 作为 n 源，在高温下( 通常 1 0 0 0 ( 2 ) 进行g a n 的生长。由于使用了难于裂解并易于 与渤金属有机物发生寄生反应的n f l 3 作为n 源，所以需要严格的控制生长条件， 并改进生长设备。图1 2 1 为m o c v d 方法的反应装置简图。 嚣2 嚣l s c h m a t i cn o v dt w o f l o wm o c v d m t c t o r 蛔删f o w t h 善 _ _ _ ：曩! ： 誊善囊蠹俐阳弘l e f t 始1 徘em a y1 9 9 1 蠹蠹舞：蓦蓦| ； 蓦蒙| ；| | 囊 = | 量蔓誊鋈鬻| ；| | ：誊囊i 曩囊= ：i ：曩：i ：i i i ：i i i i i ：i ：i i ii ：i i l , i i ：i ：i l i 图1 2 1 金属有机化学气相沉积法( m o c v d ) 反应装置简图 a m a n o 等人【1 4 1 首先采用由射频感应加热的大气压m o c v d ( a p m o c v d ) 方法生长出了高质量的单晶g a n 薄膜材料。n a k a m u r a 等人网在1 9 9 0 年开发出了 双束流大气压m o c v d ( t f m o c v d ) 生长技术，并采用该技术于1 9 9 1 年生长 出了可以用于器件制作的p 型g a n 晶体1 1 1 。近年来，人们又尝试采用在a s 系和 p 系族化合物材料中广泛使用的低压m o c v d ( l p m o c v d ) 方法进行g a n 1 0 兰州大学博士论文第一章前言 材料的生长，并取得了满意的结果嗍l 。l p m o c v d 方法和n a k a m u r a 等人网开发 的t f - m o c v d 方法相比，可一次在反应室中装入多个衬底进行外延生长，因此 更适合于规模化生产。 m o c 、巾方法的生长速率适中，可以比较精确的控制膜厚，特别适合于l e d s 和l d s 的大规模工业化生产。目前已经成为使用最多，并且生产材料和器件质 量最高的方法。美国的e m c o r e 和a i x t r o n 公司，以及英国的t h o m a ss w a n 公司都已开发出可以用于工业化生产的族氮化物m o c v d ( l p m o c v d ) 设 备。 三分子束外延( m b e ) 技术 ；：蔓j i ： 一；? e c 冀 譬；：酗黝鲞雠缱t i mg 蝌瑚基咖o r a t i a g t h ee | c 默n 钓嘲髓誊； ：曩叠! 曩一：；：；：! 未：曩。一：! = = ：毫量一：搿。：2 ：_ 誊：_ i 量一。：一：篝! ：；： ： ；： ：i ：； ! 曩王a p p l p h y s a u g u s t1 ，1 9 9 4 - v o l m l a a7 6 , i s u t l e3 ，l a l a 1 3 6 3 - 1 3 9 9 ：i 麓 图1 2 - 3 电子回旋共振辅助分子束外延法( 盼m b e ) 反应装置简图 这种生产技术有两个分支：气源分子束外延( g s m b e ) 和金属有机分子束 外延( m o m b e ) 。第一种方法【1 6 】直接以g a 金属的束流作为g a 源，以n h 3 作为 n 源，在衬底表面反应生成g a n 。采用这种方法可以在较低温度下实现g a n 的 生长。但在低温下，n h 3 的裂解率低，与( h 金属的反应速率较慢，生成物分子 兰州大学博士论文第一章前言 的可动性差，晶体质量不高。为了提高晶体质量，人们研究了以电子回旋共振 ( e c r ) 【1 7 】或射频( i 疆) b s 等离子体辅助增强技术激发n 2 作为n 源，并取得了 较为满意的结果。图1 2 3 为电子回旋共振辅助分子束外延法( e c r - m b e ) 的反 应装置简图。第二种方法【1 9 2 0 】以g a 金属有机物作为g a 源，以等离子体或离子 源中产生的束流作为n 源，在衬底表面反应生成g a n 。采用这种方法不但可以 实现g a n 在较低温度下的生长，而且解决了n h 3 在低温下的裂解率低的问题， 有望得到较好的晶体质量。 m b e 生长技术的生长速率较慢，可以精确的控制膜厚，特别适合量子阱、 超晶格等超薄层结构的材料生长。但对于外延层较厚的器件( 如l e d s 和l d s ) ， 1 1 生长时间较长，不能满足大规模生产的要求。而且当采用等离子体辅助方式时， 要采取措施避免高能离子对于薄膜的损伤。 四两步法生长技术、 由于g a n 和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得高质量的g a n 晶体 外延层，经常采用两步法生长技术。这种技术首先在较低的温度下生长一层很薄 的g a n 或a 1 n 缓冲层在衬底上，然后再将温度调整到较高值来生长g a n 外延层。 a k a s a 1 【i s 首先以a l n 作为缓冲层生长得到了高质量的g a n 晶体。a l n 能与g a n 很好的匹配，但和蓝宝石衬底匹配的不好，随后n a k a m u r a 9 发现以g a n 作为缓 冲层可以得到更高质量的c r a n 晶体。 五选区外延生长( s e l e c t i v ea r e ae p i t a x i a lg r o w t h ) 选区外延生长也被称为侧向外延生长( l a t e r a le p i t a x i a lg r o w t h ) ，采用这种技 术【2 1 ，2 2 可以进一步减小位错密度，改善g a n 外延层的晶体质量。其具体操作是 首先在衬底上( a 1 2 0 3 或s i c ) 沉积一层g a n 薄膜，再在其上沉积一层多晶态的 s i 0 2 掩膜层，然后利用光刻和刻蚀技术形成g a n 窗口和掩膜层条。在随后的生 长过程中，外延g a n 首先在g a n 窗口上生长，然后再横向生长于s i 0 2 掩膜层条 上。实验表明：生长于s i 0 2 条上的g a n ，其位错密度比在c j a n 窗口上的小几个 数量级。目前这种技术已经应用于蓝光l d s 的制备，并获得了满意的结果。这 种方法的缺点在于在横向区域生长的g a n 外延层发生了c 轴的倾斜现象，而且 1 2 兰州大学博士论文第一章前言 在结合区域形成了位错。 六悬空外延( p e n d e o e p i t a x y ) 技术 采用这种方法田，2 4 1 可以大大减少由于衬底和外延层之间晶格失配和热失配 引发的外延层中大量的晶格缺陷，从而进一步提高g a n 外延层的晶体质量。这 种技术首先在合适的衬底上( 6 h - s i c 或s i ) 采用两步法生长技术生长g a n 外延 层，然后对外延膜进行选区刻蚀，一直深入到衬底。这样就形成了g a n 缓冲 层衬底的柱状结构和沟槽交替形状。然后再进行g a n 外延层的生长，此时生 长的g a n 外延层悬空于沟槽上方，是在原g a n 外延层侧壁上的横向外延生长。 采用这种方法，不需要掩膜，因此避免了g a n 和掩膜材料之间的接触，所以生 长在沟槽上方的g a n 外延层应该是无应力的。测试结果还表明，存在于原g a n 外延层中的位错并没有传播到悬空于沟槽上方的g a n 外延层中去。这种方法的 问题在于为了形成g a n 缓冲层衬底的柱状结构，需要采用干刻蚀法，但当 原来的g a n 外延层太厚和采用蓝宝石衬底时，刻蚀变得非常困难。 1 3g a n 器件研究 g a n 基材料的优异特性在过去几十年得到了充分的开发和利用。在短波光 电子器件和高温大功率微波器件方面，已经做出了g a n 基高亮度的可见光及紫 外光发光管和激光器、高性能的紫外光探测器和高温高功率高频晶体管。g a n 基发光管世界年销售近1 0 亿只。此外，g a n 基材料的垂直腔面发射激光器和分 布反馈激光器等也在发展之中。总的说来，g a n 基器件应用主要有两大类：电 子器件和光电子器件。 电子器件 1 异质结双极晶体管( 卸b t ) p a n k o v e 等人【2 5 】率先于1 9 9 4 年制作出了g a n 6 h s i ch b t 。理论计算表明， g a n 6 h s i ch b t 的价带偏移约为o 2 o 2 5 e v ，实验测量值为0 3 8 e v ，如此大的 价带偏移对于h b t 非常有利。另外，s i c 可以进行高浓度的p 型掺杂( 降低基 兰州大学博士论文第一章前言 区电阻) 又是间接带隙材料( 减少基区辐射复合) ，因此g a n 6 h s i ch b t 具有 良好的器件性能。当v c b 司，i e = i o o m a 时，其可获得的电流增益达1 0 5 。该器 件的工作温度可达5 3 5 ( 2 。目前a i c r a n g a nn p nh b t 也已做出，而做出全氮化 物n p nh b t 的困难在于p 型基区电阻及其接触电阻太高。 2 异质结场效应晶体管( i i e t ) 异质结场效应晶体管( h f e t ) 有时也称为调制掺杂晶体管( m o d f e t ) 或 高电子迁移率晶体管( 卸三m ) 。利用外延生长的g a n a 1 g a n 异质结材料制备的 h f e t 具有突出的d c 和r f 特性：其最大源漏电流密度为1 4 3 a r a m ；击穿电压 分别为3 4 0 v ( 栅漏间) 和1 0 0 v ( 源漏间，栅长1 朋) ；室温跨导为2 7 0 m s r a m ； 截止频率和最高振荡频率分别为5 0 g h z 和9 7 g h z ；输出功率密度为 9 i w m m ( 8 g h z ) ：输出功率为9 8 w ( 8 2 g h z ，2 m m 栅宽) ；g a n i a i c r a nh e m t 的 工作温度高达7 5 0 。 二光电子器件 1 发光管( l e d ) 从上世纪7 0 年代起，人们先后开发出了g a np n 结蓝色l e d ，蓝色 i n g a n i a i g a n 双异质结( d h ) l e d ，和蓝色、绿色、琥珀色、紫色以及紫外光 i n c r a n 量子阱l e d 。对于发射峰值波长分别为3 7 0 、4 5 0 和5 2 0 n m 的紫外、蓝色 和绿色i n g a ns q wl e d ，典型外量子效率分别为7 5 ( 紫外光) 、1 1 2 ( 蓝光) 、 1 1 6 ( 绿光) 。发射波长最短的l e d 是用a 1 g a n 做有源区的l e d ，其发射波长 为3 5 0 r i m 。 蓝色和绿色l e d 的发光效率分别为5 1 m w 和3 0 l i i 棚。与之相对照，红色 a i i n g a pl e d 的发光效率为2 0 , - - 3 0 1 m w 。常规的白炽灯的发光效率为2 0 1 m w 。 组合蓝色、绿色和红色l e d ，可以制备发光效率为3 0 l m ，w 白光l e d ，它差不 多和常规的白炽灯的发光效率相同。但这种l e d 的寿命长过1 0 5 小时，比普通 灯泡寿命长得多。因此使用氮化物的蓝色和绿色l e d 以及a l i n g a p 基红色l e d 取代白炽灯泡可以节省能源和资源。 目前已拥有用蓝色、绿色i n g a ns q wl e d 和g a a l a s 或a i g a i n p 红色l e d 做成的户外大屏幕彩色显示屏和用i n g a n 单量子阱绿色l e d 做成的交通信号 1 4 兰州大学博士论文 第一章前言 灯 2 激光二极管( l d ) 第一个g a n 基材料l d 是电脉冲g a n - i n g a n 多量子阱( m q w ) l d 。发光 区是由2 5 n m 厚的1 n o 2 g - a o 8 n 层和5 n m 厚的g a o 1 5 i n o 8 5 n 层交替重叠2 6 次而成。 g a n 和a l o - 1 5 g a o 8 5 n 分别作为波导层和夹层。电脉冲的占空比是0 1 ，域值电 流密度为4 0 k a c m 2 ，在域值时的电压高达3 4 v ，这主要是p 型电极的高阻所致。 该l d 的发射波长是4 1 7 n m ，谐振腔镜面是用反应离子刻蚀而成的，因为蓝宝石 衬底难以离解。随后，第一个g a n 基的电注入室温连续波( c w ) l d 被研制成 功，但其寿命很短。到1 9 9 7 年底，n a k a m u r a 等人【2 叼报道了寿命估计达1 0 ，0 0 0 h 、 的l d 。该l d 的夹层使用调制掺杂非晶格结构( m s s l s ) ，m s s l s 结构是由 2 5 n m 非掺杂的a l o 1 4 g - a o 8 科层和2 5 n m 厚的n 型或p 型g a n 层交替重叠1 2 0 次 而成。使用这样的结构目的是为了避免使用厚的a i g a n 夹层，因为使用厚的 a i g a n 外延层会发生龟裂。一其中g a n 层的导电类型与m s s l s 所替代的夹层导 电类型一致。所有这些发光器件的有源区都使用i n g a n 而不是用g a n ，这是因 为使用g a n 做有源区难以实现高效发光器件。 3 探测器 g a n 基u v 探测器有单层光电导型和光伏型两种。光电导型探测器比较简 单，只使用一个单层外延材料。而光伏型探测器由c a n 或a l g a l , 材料的肖特基 结或p - n 结构成，它比光电导型探测器响应快得多，工作无须偏压( 低功耗) ， 阻抗高，暗电流低。 在过去几十年，g a n 基u v 探测器有了很大进展。u v 探测器的需求主要来 自导弹探测和跟踪系统上的应用。因此，研究指向截止波长较短( 2 8 0 n m ) 的探 测器，并且从研究单个元件到研制二维聚焦平面。向短波移动将要求高灿组分 a 1 g a n 的p 型掺杂。另外，由于导弹跟踪的低信号的要求，必须发展雪崩二极 管( a p d ) 以产生大的增益，而且要减少漏电流( 特别是在高电压时) 。探测器 结果显示，影响探测器性能的主要因素是g a n 外延层中很高的位错密度，发展 晶格比较匹配的衬底可能会明显改善探测器的性能。 兰州大学博士论文第一章前言 1 4 论文选题依据 从以上三节( 1 卜1 3 ) 的介绍，可以看出g a n 是一种具有优良物理和 化学特性的宽带隙半导体材料，并且已经在电子和光电子器件的制备方面取得了 广泛的应用。然而尽管如此，有关g a n 内部很多性质的研究和认识却还并不成 熟，甚至存在很大争议。例如，有关g a n 中常见的几个发光带，如黄光带、蓝 光带、红光带以及带边峰的发射，它们被认为是由g a n 中各种缺陷和杂质能级 问的跃迁引起的，但是就这些缺陷和杂质能级的具体指定不同的文献给出的结论 却往往不同，这就给g a n 材料性质的进一步提高和应用带来了困难。 c 是g a n 中经常出现的一种残留杂质，特别是在由m o c v d 方法生长的g a n 薄膜中，它被认为对c r a n 的电学和光学性质都有着重要的影响。在m o c v d 的 生长过程中，c 杂质可以通过有机金属中的烃基部分、n h 3 中混杂的c o 和c 晚、 以及被h 2 腐蚀的用于衬底加热的石墨基座上的s i c 层等被引入g a n 中。c 在 g a n 中是一种两性杂质，当它替代晶格原子中的n ( c n ) 时，可以作为浅受主， 而当它替代g a ( c g a ) 时，则可以作为浅施主。浅受主c n 的离化能为2 3 0 m e v ， 与m g c - a 和b e o a 的离化能相近，因此c 杂质常常被当作一种p 型杂质被有意的掺 杂进g a n 中，来实现c r a n 的p 型化。然而实际c 掺杂g a n 的p 型化效果却并 不理想。a b e m a t h y 等人【2 7 钡4 量了使用c c l 4 进行c 掺杂的由m o m b e 方法生长 的闪锌矿结构g a n 的空穴浓度，所得值为3 x 1 0 1 7 c m - 3 。u k o h l e r 等人【2 8 】通过使 用电子束蒸发的方法对m b e 生长的闪锌矿结构g a n 进行了c 的掺杂，得到了 更高的空穴浓度( 6 1 0 1 7 c 玎一) ，但是当c 掺杂剂量的进一步增加时，g a n 的空 穴浓度达到饱和并开始降低，表明自补偿的出现。c 掺杂的另一个重要应用便是 通过浅受主c n 的引入，补偿g a n 中的浅施主，实现g a n 材料的半绝缘 ( s e m i i n s u l a t i n g ) 化，来制作高电子迁移率晶体管( h e m t ) 陋l 。在g a n 的光 致发光方面，c 掺杂被认为可能与g a n 的黄光发射有关 3 0 - 3 2 1 。此外，也有文献 报道g a n 的带边峰发射强度会随着c 的掺杂而增强【3 3 】。s e a g e r 等人【蚓在半绝缘 的掺c 的g a n 中观察到了一个峰位在3 0 e v 的蓝光发射带，并将它归因于c a 曩 向繇的跃迁。r e u t e r 等人【3 5 】贝i j 在c 掺杂的g a n 中测量到了个峰位在1 6 4 e v 的红光发射带。 1 6 兰州大学博士论文第一章前言 本论文使用离子注入的手段对g a n 进行了c 的掺杂，通过光致发光谱和微 区拉曼谱的测量，主要研究了c 注入对g a n 中几种常见发光带的影响，目的是 一。_ _ 。 为了澄清这几种发光带的发光机制。除了单c 离子注入，本论文还进行了g a n 的c + s i 和c + m g 双离子共注的研究。有关g a n 的双离子共注的研究，很多文献 都集中在n 离子和其它离子的共注方面 3 6 , 3 7 1 ，其目的是让注入的n 进入注入产 生的n 空位( v ) ，看在富n 条件下，其它离子注入对q i n 的影响。而本论文 则希望观察到当c 进入v n 时，以及随着c 注入剂量的增大c 开始占据g a 空位 、 ( 砜h ) 后，s i 和m g 离子注入对g a n 的几个光致发光带的影响。 1 7 兰州大学博士论文第二章g a n 中的缺陷 第二章g a n 中的缺陷 g a n 晶体由于与衬底材料的晶格失配，通常包含有大量的点缺陷和结构缺 陷。这些缺陷显著影响着g a n 晶体的光学和电学特性，严重降低了g a n 基半导 体器件的工作性能。例如在g a n 基探测器中，缺陷引起的暗电流和噪声降低了 探测器的灵敏度。又如在发光器件中，缺陷可以降低发光跃迁的效率和寿命。因 此为了提高g a n 基器件设备的性能，需要对g a n 中的缺陷以及如何减少它们有 更好的理解和认识。 g a n 中的缺陷分为点缺陷和扩展缺陷。其中点缺陷包括本征缺陷( 空位缺 陷、间位缺陷、反位缺陷) 、杂质、以及本征缺陷和杂质的复合体。扩展缺陷包 括线缺陷( 也称为位错) 和面缺陷等。g a n 中的点缺陷与g a n 的发光密切相关， 图2 1 显示了g a n 中与掺杂杂质和非有意掺杂的缺陷相关的辐射跃迁。扩展缺 陷一般与g a n 的发光无关，但是它们可以通过俘获载流子和吸附点缺陷的方式 来影响g a n 材料的电学和光学性质。 r a d i a t i v ew a n s i t i o n sa s s o c i a t e dw i t hm a j o rd o p i n gi m p u r i t i e s j a p p l p h y s 9 7 。0 6 13 0 1 ( 2 0 0 5 ) 图2 1g a n 中与掺杂杂质和非有意掺杂的缺陷相关的辐射跃迁 1 8 人9)笳joc 兰州大学博士论文第二章g a n 中的缺陷 本章介绍了基于第一性原理的计算【3 8 】，g a n 中主要点缺陷的形成能和能级 位置，它们是研究g a n 光学及电学特性的重要依据和基础。由于本论文是研究 c 及c 和其它离子共注对g a n 光学性质的影响，所以在2 5 节中对c 杂质相 关缺陷的理论计算进行了单独的详细论述。 2 1 理论方法 根据第一性原理的计算【3 3 】，温度为t ，处于热平衡状态下的半导体材料，它 的某种点缺陷的浓度c 由这种点缺陷在半导体中的形成能e ，决定： c = 一翻 叫， 式中妇代表单位体积的晶格中缺陷能够占据的位置数( 对于g a n ， 妇4 4 x 1 0 2 2 c r 3 ) ，s