（微电子学与固体电子学专业论文）ingan、inn及其异质结构材料生长与特性研究.pdf

摘要 摘要 i n n 及i n g a n 材料在电子和光电器件方面有诱人的应用前景，但由于i n n 生 长的特殊性和i n g a n 合金中的相分离等问题，阻碍了高质量i n n 基材料的制备。 近年来，随着氮化物半导体材料生长技术的进步和人们其生长机理认识的深入， 为制备高质量的高1 1 1 组分i n g a n 及i n n 材料提供了很好的基础。本文即在此背景 下，对i n n 基材料生长方法与特性进行了深入研究，研究成果如下： 采用低压m o c v d 生长方法，通过生长工艺的优化，成功地制备出不同组分 的i n g a n 薄膜，并研究了生长工艺参数对材料特性的影响。 对于在常规g a n 生长条件下制备的i n g a n 来说，提高压强和降低温度均有利 于i n 的结合和表面形貌的改善。在较高压强下，所制备的i n g a n 薄膜表面同时出 现螺旋型小丘和孔这两种典型的形貌；提高反应气体的v i l l 比，孔的密度和尺寸 均下降；提高温度可以加快生长速率，表面形貌变好，但牺牲了h l 组分。 将i n g a n 薄膜材料引入到g a n 异质结构中，通过生长工艺参数与结构优化， 成功地生长出i n g a n 沟道异质结构以及i n g a n 背势垒双异质结构。 i n g a n 作为沟道层时，测试结果表明，在低温势垒层结构下，得益于界面粗 糙度的减小，二维电子气的电特性提高，而i n g a n 层组分和厚度波动等质量问题 也成为限制其迁移率的重要因素；i n g a n 作为背势垒时，g a n 沟道中载流子限域 性和面密度均提高，但由于受到来自i n g a n 层的各种散射，迁移率下降。 采用低压m o c v d 生长方法，在不同的衬底和氮化条件下进行了i n n 材料生 长的探索研究。 对于蓝宝石衬底，高温氮化有利于形成较均匀和平坦的具有六角单相晶体结 构的小岛；对于在s i 衬底，低温氮化反而有利于提高i n n 的成核几率，小岛的形 状不规则，尺寸较蓝宝石衬底大幅提高；对于g a n 缓冲层s a p p h i r e 衬底，在三种 不同极性的缓冲层上的小岛形貌差异明显。 关键字：i n g a ni n n 异质结构m o c v d 1 ii n g a n 、i n n 及其异质结构材料生长与特性研究 a b s t r a c t i n na n di n g a na l l o yp o s s e s sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o n h o w e v e r , a st h er e s u l to f t h e s p e c i a ld i f f i c u l t i e si ng r o w t hf o ri n na n ds p e c i f i cp r o b l e m sl i k ep h r a s es e p a r a t i o nf o r l n g a n ，i ti sh a r dt of a b r i c a t et h eh i g hq u a l i t yi n n b a s e dm a t e r i a l s r e c e n t l y , t h e t e c h n i c a lp r o g r e s so ff a b r i c a t i n gn i t r i d ec o m p o u n d sa n dt h ed e e p e n e dr e c o g n i t i o no f t h e g r o w t hm e c h a n i s mh a v el a i dag o o df o u n d a t i o nt oo b t a i nt h ei n n 。b a s e dm a t e r i a l so f h i g hq u a l i t ya n dh i g hi nc o n t e n t t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e rf o c u s e do ni n n b a s e d m a t e r i a l sa n dc h a r a c t e r i s t i c s t h em a i nr e s u l t si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no ft h eg r o w t hp r o c e s s ，d i f f e r e n ti nc o n t e n ti n g a nf i l m s w e r eg r o w ns u c c e s s f u l l yb ym o c v d t h ei n f l u e n c e sf r o mg r o w t hp a r a m e t e r so nt h e p r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e d b a s e do nt h eg r o w t hc o n d i t i o n so fg a n ，r a i s i n gt h ep r e s s u r ea n dr e d u c i n gt h e t e m p e r a t u r ec o u l di n c r e a s et h ei nc o n t e n ta n db e n e f i tt h es u r f a c em o r p h o l o g y u n d e rt h e h i g hp r e s s u r e ，t h et w ot y p i c a ls u r f a c ef e a t u r e s ，p i t sa n dh i l l o c k s ，w e r es e e n w h e n i n c r e a s i n gt h ev i i ir a t i oo fr e a c t i o ng a s e s w h e ni n c r e a s i n gt h eg r o w t ht e m p e r a t u r e ， m i g r a t i o no fa t o m sw a si m p r o v e da n dt h e c o n t e n ti nt h ei n g a n a l l o y t h ed e n s i t ya n ds i z eo fp i t sb o t hd e c l i n e d t h eg r o w t hr a t ew a sp r o m o t e da n dt h e s u r f a c ew a sa l s ob e t t e r , a tt h ec o s to fi n t h ei n g a nm a t e r a i lw a si n t r o d u c e di n t ot h eg a n h e t e r o s t r u c t u r e t h r o u g ht h e o p t i m i z a t i o no fg r o w t hp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r ed e s i g n i n g ，t h eh e t e r o s t r u c t u r e sw i t h i n g a nc h a n n e l ，a n dt h ed o u b l eh e t e r o s t r u c t u r ew i t hi n o a nb a c kb a r r i e rw e r ef a b r i c a t e d b ym o c v d f o rt h ei n g a nc h a n n e l ，i tw a sf o u n dt h a tt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f2 d e gw e r e i m p r o v e du n d e rt h el o wt e m p e r a t u r eb a r r i e r , b e n e f i t e df r o mt h er e d u c t i o no fr m st h a t r e s u l t e di nt h ep r o m o t i o no fm o b i l i t y a n dt h el o wq u a l i t ya n dt h ef l u c t u a t i o n so fi n c o n t e n ta n dt h i c k n e s si ni n g a nc h a n n e lp l a yi m p o r t a n tr o l e si ns c a t t e r i n gm e c h a n i s mo f 2 d e g f o rt h ei n g a nb a r r i e r , t h ec o n f i n e m e n ta n dt h ed e n s i t yw e r eb o t hr a i s e d b u tt h e h a l lm o b i l i t yr e d u c e dr e s u l t i n gf r o ma l lk i n d so f s c a t t e r i n g sf r o mt h el o wq u a l i t yo f i n g a nb a c kb a r r i e r t h ei n nm a t e r i a lw a st r i e dt ob eg r o w n b ym o c v d o nd i f f e r e n ts u b s t r a t e sa n d u n d e rd i 【f f e r e n tn i t r i d a t i o nc o n d i t i o n f o rt h es a p p h i r es u b s t r a t e s ，i ti sb e n i f i c a lt of o r me v e na n ds m o o t h h e x a g o n a ls i n g l e i n g a n 、i n n 及其异质结构材料生k 与特性研究 p h r a s ec r y s t a ls t r u c t u r ei s l a n d si ft h en i t r i d a t i o ni sa th i g ht e m p e r a t u r e o nt h ec o n t r a r y , t h el o w t e m p e r a t u r en i t r i d a t i o ni sb e n e f i c i a lt ot h en u c l e a t i o no f i n n t h es h a p eo ft h e s e i s l a n d sw a sa n o m a l o u sa n dt h e i rs i z ei so u to fi n f o r m a l i t yb u tb i g g e rt h a nt h a to nt h e s a p p h i r e o nt h eg a nb u f f e r , t h et h r e ed i f f e r e n tc r y s t a ld i r e c t i o n si n f l u e n c et h es u r f a c e m o r p h o l o g yg r e a t l y k e y w o r d s ：i n g a n i n nh e t e r o s t r u c t u r em o c v d 第章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1i n n 基材料的特性和优势 随着人类社会的进步和文明的发展，半导体材料在各个方面都起着越来越重 要的作用。由于在微波大功率、高温高压、抗辐照电子器件和从紫外到红外的全 波长光电器件方面具有得天独厚的优势，以氮化镓( g a n ) 为代表的新型宽禁带半导 体技术二十多年来得到了飞速的发展。为了满足人们对高性能微波功率器件的需 求，人们将注意力主要集中在g a n 基的材料和器件研制和分析上。自从1 9 9 0 年出 现了铟镓氮( i n g a n ) 有源层的蓝光发光二极管( l e d ) 后，对低t n 组分的l n g a n 合金 材料的研究越来越多，并且不像其它的半导体材料，氮化镓基l e d 器件的光学性 能并没有受到材料缺陷的严重影响，现在i n g a n 已经普遍应用于蓝光到绿光的 l e d 和固态蓝光激光器( l d ) 的有源层中【1 。3 1 。所以得益于固态照明和激光技术的发 展，光电子产业发展迅速，其市场份额已经超过了2 0 0 亿美元年，而在未来的几 十年还会继续发展【4 】。 6 5 爹 s 瑙4 糕 冀3 赠 日 12 g k 务一m 黝戮戮戮戮飘。：戮戮鬻戮戮戮黝蓦 dtdt“mg#o“-m二k氲一*m“虢一kjkd2i一z缸溉 ，s 一d t e 3 0 0 ，、 皇 皇 o 4 0 0 业 5 0 0 鲻 1 0 0 0 2 0 0 0 0 3 00 3 5 0 , 5 5 0 6 00 5 5 晶格常数o a m ) 图1 1 室温下三族氮化物和其它常见的半导体的晶格常数与禁带宽度的关系【5 】 从图1 1 的禁带宽度就可以看出，通过调节氮化铝( a i n ) 、g a n 和氮化铟( i n n ) 这三种材料的合金组分就可以获得从0 6 4 e v ( 对于i n n ) 至06 2 e v ( 对于a i n ) 的连续 直接带隙，所以利用这单一的材料体系就可以制备出覆盖近红外到深紫外光谱范 围的光电子器件，例如全彩的l e d ( _ 女n 图2 ) 、多节高效率太阳电池以及应用于光纤 通讯中的1 5 5 p m 发射源【6 l 。其中i n g a n 合金的带宽覆盖的是o 6 4 3 4 2 e v ，它几 i n g a n 、i n n 及其异质结构材料生长与特性研究 乎与太阳光谱到达完美匹配，在过去的十几年间，人们对i n g a n 在l e d 和l d 方 面的应用研究得很多，其研究重点放在g a 组分居多的i n g a n 和g a a i n 合金，所 以在太阳光谱上其带宽覆盖了从蓝光到绿光波段( 4 0 0 - 5 3 0 n m ，相应的带宽 3 1 - 2 3 e v ) 。 o 0 c 8 o o ) - 0 o c o o r d i n a t e 图1 2 常见的l e d 材料与其波长的对应关系图【7 】 除了具有连续可调的太阳光谱带隙的优点外，由于i n n 本身的材料特性，使 得i n g a n 合金还可以抵抗高能电子的强辐射，独特的声子瓶颈效应可以减慢太阳 电池中热载流子的冷却过程，而且能带可以自对准，从而消除了硅基太阳电池天 然存在的复合障碍，这些特点使其特别适合作为空间应用的高效率多结太阳能电 池材料【5 1 。 与g a n 材料类似，i n n 材料也具有两种不同的晶体结构：纤锌矿结构和闪锌 矿结构。在常温常压下，闪锌矿结构是它的热力学亚稳态，而纤锌矿结构才是它 的热力学稳定态，纤锌矿结构的心和g a n 的基本性质如表1 1 所示【8 1 。 表1 1 纤锌矿结构i n n 和g a n 的基本材料性质 i n n g a n 禁带宽度e g ( e v ) 0 7 03 3 9 温度系数d e g d t ( e v k ) 1 8 x 1 0 4- 6 0 x1 0 4 a 轴晶格常数( a ) 3 5 3 7 73 1 8 0 c 轴晶格常数( a ) 5 7 0 3 75 1 8 5 a 轴热膨胀系数a a ( k 1 ) 4 l o - 65 5 9 x 1 0 6 c 轴热膨胀系数c c ( k - 1 ) 3 x 1 0 石3 1 7 x 1 0 缶 热导率( w c m 目 o 8 o 2 1 3 相对介电常数 1 1 49 8 2 0 0 5 年，有人【9 1 采用拉曼表征手段来分析场致非平衡载流子的分布和输运时 第一章绪论 发现，i n n 的漂移速度高达5 1 07 2 1 0 8 c m s ；有报道表明在室温下表面层和体材 料的迁移率大约分别在5 0 0 c m 2 v s 和3 5 0 0 c m 2 v s 左右| i 。2 0 0 6 年，p o l y a k o v 】和 f e h l b e r g e l 2 】等人通过蒙特卡洛模拟发现在低载流予浓度的i n n 的最大迁移率为 1 4 0 0 0 c m 2 v s 。在表1 2 中，我们对比了几种常见的半导体材料的基本参数【l 孓1 4 j 。 我们看到，i n n 材料在i i i 族氮化物材料体系中具有最高达4 4 0 0 c m 2 v s 的迁移率 ( g a n 的约为1 0 0 0 c m 2 v s 左右) 【1 5 】、最高达4 3 1 07 c m s 的峰值速率【1 6 】、最大的 电子漂移速率( 如图1 3 ) 以及最小的有效电子质量0 0 7 m o 。虽然目前常用的高频电 子器件的材料是g a a s ，而i n n 的输运性质同砷化镓( g a a s ) 相比，对温度和掺杂的 敏感度要小，所以i n n 在高频电子器件方面是一种非常有前景的材料。 表1 2 几种常见的半导体的基本材料参数 i n ng a na l ng a a ss i4 h s i ci n p 禁带宽度e g ( e v ) 0 6 43 4 26 2 01 4 31 1 23 2 61 3 4 3 0 0 k 电子迁移率( c m 2 v s ) 1 4 0 0 09 0 0l l o8 5 0 01 3 5 07 0 05 4 0 0 电子有效质量m 木 0 0 50 2 20 3 20 0 6 81 0 8o 2 40 0 6 9 尖峰速率v p ( x1 0 7 c m s ) 4 32 71 82 11 o2 o2 3 饱和速度v s ( x1 0 7 c m s ) 2 01 5i o1 01 01 o1 0 击穿场强e b ( x1 0 6 v c m ) 1 03 31 1 70 4o 32 00 5 相对介电常数1 0 58 98 5 1 2 81 1 8 1 0 o 1 2 5 a 轴晶格参数( a ) 3 5 4 83 1 8 93 1 1 25 6 5 3 25 4 3 l3 0 7 35 8 6 9 窗 售 。 趟1 0 j 制 涤 隧 f 毡场强度( k v c m ) 图1 3 理论模拟的三族氮化物漂移速度与电场的关系l l i 近年来，太赫兹( v n z ) 技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽 带移动通讯以及卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前 景而成为了研究热点。i n n 所具有的很高电子的迁移率、强烈的光吸收、很弱的能 谷间散射和很窄的带隙等特点，使其成为的一种非常好的太赫兹辐射源，而且已 4 i n g a n 、i n n 及其异质结构材料生长与特性研究 经有报道称i n n 的发射密度比i n a s 的还要耐1 8 】。 利用i n n 本身存在的表面电子积累层还可以制备化学传感器，这巾传感器适 合于具有很i 岳辐射或化学腐蚀很强的环境；i n n 具有很强的光漂白效应，这意味着 i n n 材料可以在光通信q 1 作为超快光开关器件，而且在制备红光发射器时，i n n 没 有g a a s 和磷化镓( g a p ) 基器件产生的有毒气体；此外，i n n 还可以作为光予晶体 和锂离予薄膜电池阳极的备选材料。 1 2i n n 基材料和器件的研究进展 1 2 1i n n 基材料的发展历程 一、i n n 早期生长与禁带宽度的争议 i n n 性质的不确定性主要是由于i n n 制备上的困难，低质量的样品妨碍了材料 许多关键参数的确定，其中就包括禁带宽度。早在1 9 7 0 年，有人就尝试在常规的 条件下直接由氮气和i n 金属来合成，结果证明是不可行的；后来通过氮气混合物( 或 氨气) 和包含i n 的化合物如i n f 6 ( n - h 4 ) 3 的分解成功地制备了i n n ，但是得到的是粉 末或很小的晶体；直到1 9 7 2 年，第一个具有良好电学性能的i n n 样品通过射频溅 射的方式在蓝宝石衬底上制备出来，但是样品是多晶的，其自由载流子的浓度高 达1 0 1 8 量级c m 3 ，电子迁移率为2 5 0 c m 2 v s ；1 9 8 4 年t a n s l e y 和f o l e y 等人在玻璃 衬底上同样采用溅射法得到了i n n 的多晶样品，自由载流子的浓度小降到1 6 1 0 1 6 c m 一，同时迁移率达到了3 9 8 1 0 3 c m 2 v s ，样品的光学吸收带边在1 8 9 0 0 1 e v ，这个值也一直被很多人所引用【l 纠。 虽然i n n 的禁带宽度暂且被确定下来，人们对1 8 9 e v 这个值还是存在许多的 争议，因为多晶样品的发光谱中，在这个值附近没有相应的信号，并且在比较高 i i l 组分的i n g a n 薄膜样品中发现，随着i n 组分的增加，i n g a n 的带边会发生急剧 的下降，其中当i i l 组分升高的5 0 ，合金的带宽就已经接近了1 8 9 e v 2 0 o 只有两 种可能来解释这个现象，要么是i n g a n 的能带弯曲因子b 比较大，要么是i n n 的 禁带宽度远比1 9 e v 这个值小。 由于氮化物制备技术的进步，等离子增强分子束外延( p a m b e ) 和金属有机物 化学气相淀积( m o c v d ) 技术很大程度上提高了i n n 薄膜的质量，从而可以获得具 有更低载流子浓度和更高迁移率的i n n 材料。目前质量最好的i n n 材料电子浓度 在1 0 埽量级c m 3 ，电子迁移率高达2 2 0 0c m 2 v s ，同样也没有在光学测量中在1 9 e v 附近发现吸收峰或者发射峰【2 1 1 ；而早在2 0 0 2 年，d a v y d o v 等人【2 2 】和w u 【2 3 】等人从 透射谱、发光谱和光学调制反射谱中发现i n n 的禁带宽度在0 6 5 e v 和0 8 e v 变化， 主要集中在0 7 e v 附近；很多人【2 4 2 5 】理论计算得到的i n n 带边在0 7 e v 左右，同 第一章绪论 时得到了的更为合理的弯曲因子数值( b = 1 4 3 e v ) 。 现在，人们普遍接受了0 7 e v 这个值。实际上，i n n 的光学吸收j 带边反映不 了实际的禁带宽度是有原因的。根据b u r s t e i n 和m o s s 在1 9 5 4 年提出布尔斯坦一莫 斯移动理论( 能带填充效应，如图1 0 所示) ，在重掺杂的n 型半导体巾，费米能级 会上升到导带低以上ae n ，光子的激发只会发生在没有被占据的态e c + e n 或者 更高的能级上，同理p 型半导体中，费米能级下降了e p ，只有在e p e p 或者 更低的态上的电子才参跃迁，这样在高载流子浓度的样品中，光学吸收谱发生蓝 移。所我们在早期的多晶样品中，发现i n n 的光学吸收带边比实际的带宽大许多。 积： 图1 4 重掺杂的i n n 样品中的b u r s t e i n m o s s 移动【2 q 二、i n n 基材料目前的研究状况 1 i i l n 材料的研究进展 当前人们制备i n n 和i n g a n 合金材料方法主要是w 蝴b e 和m o c v d 。 2 0 0 4 年，e s i n g h 等人【2 7 】采用m o c v d 方法在不同的温度生长了h l n ，衬底 采用蓝宝石，成核层材料为g a n ，发现在5 5 0 下，样品的结晶质量最好，电子浓 度为7 1 0 1 8 c m 一，迁移率为1 3 0 0 c m 2 v s ，并且在0 7 e v 处有很强的发光峰。 2 0 0 7 年x l z h u 等人【2 8 】采用m o c v d 方法在蓝宝石衬底上生长了i n n ，在 低温i n n 成核层( l t - i n nn l ) 和g a n 模板上生长的i n n 的结构特性不同，发现在 g a n 衬底上生长的材料具有较小的表面粗糙度，x r d 测量中( 0 0 2 ) 和( 1 0 2 ) 面摇摆曲 线( r c ) 的半宽为o 3 6 。和0 4 8 。 同年，南京大学的z l x i e 等人【2 9 】也是m o c v d 生长方法研究了在不同的成 核层对i n n 材料的影响，蓝宝石氮化后接着依次生长低温g a n 层和高温g a n 层形 成复合的成核层( h t - g a n l t - g a nn l ) ，然后生长的i n n 薄膜，自由载流子浓度自 一基joo毋o_o墅一 6i n g a n 、i n n 及其异质结构材料生k 与特性研究 由为3 9 1 0 1 8 c m 一，霍尔迁移率达到9 3 9 c m 2 v s ；而j c l i n 【3 0 】等人在g a n 模版 上在6 2 5 。c 的温度下制备了i n n 薄膜电子迁移率提高到1 3 0 0 c m 2 v s 。 由于p a m b e 方法所需的温度较低，而成为获得高质量i n n 材料和高i n 组分( x 耋0 2 5 ) i n g a n 合金的主要手段3 。2 0 0 6 年，g k o b l m u l l e r 等人【3 2 1 在高结晶质量的 氮面g a n 模板上生长了i n n 薄膜，样品的电子迁移率高达2 3 7 0 c m 2 s ，表面电子 积累层密度仅为3 1 0 c m 。 在近年来的文献报道中，我们会发现在m o c v d 方法中很多人都采用了脉冲 的生长方式。早在2 0 0 4 年，m c j o h n s o n 3 3 】等人就对比了常规连续和脉冲这两种 不同的气源通入方式的影响，实验结果发现，脉冲方式可以提高了i n 原子的可动 性，使得制备的i n n 薄膜结晶质量和表面覆盖性比连续方式下的样品好。2 0 0 9 年， w e n c h et s a i 等人【3 4 】通过拉曼表征方式研究了在g a n 模版上采用流速调制模式和 脉冲模式下形成的i n n 岛的应力释放机制，发现脉冲模式下岛尺寸的均匀性更好。 制备i n n 材料时，容易出现典型的三维不对准的柱状形貌，背景载流子浓度 也很高，结晶质量不理想。而2 0 0 9 年o b r i o t 等人【3 5 利用碳的卤化物( 三氯溴碳 c b r c l 3 ) 来提高i n n 的横向生长速率，进而产生了极其平坦的i n n 表面，然后通过 重结晶的方式实现i n n 的纳米结构。 为了提高i n n 结晶质量，除了选择合适的生长方法和生长方式外，还需要考 虑衬底和成核层的影响。人们通常采用的是c 面的蓝宝石衬底或者g a n 模版，同 时也有很多人研究其它类型的衬底和较为复杂的成核层技术。 2 0 0 8 年，x l z h u 等人 3 6 】采用m o c v d 方法在r 面蓝宝石上生长的a 面的i n n 薄膜，晶格取向关系是 o o o l 】i n n 1 1 0 1 】蓝宝石和 1 1 0 0 】i n n 1 1 2 0 】蓝宝石，实验 结果发现i n n 表面是三维岛状结构，区别与g a n 的带状形貌，进而说明a 面i n n 与a 面g a n 不同的生长模式。 2 0 0 8 年h u a n g 等人【3 7 】研究了在( 1 1 1 ) 面的硅( s i ) 衬底上的h 1 n 生长，对比了 不同的成核层技术，例如l t - a i n 、( h t - a 1 n ) ( l t - a 1 n ) 、l t - i n n l t - a i n 、 h t - ga n a l g a n l 1 - a l n 等，实验发现h t g a n a l g a n l t - a i n 渐变成核层的结晶质 量最好，薄膜的迁移率达到了2 7 5c m 2 v s 。 2 i n g a n 材料的研究进展 对于高亮度蓝光l e d 来说，添加少量的i n 到g a n 中就可以成为其有源层的 最优材料。1 9 9 0 年，n a k a m u r a 首先实现了i n g a n 蓝光l e d ；随后的几年，相继 出现了i n g a n 基的绿光或紫外l e d 和l d ，其中i n g a n 层的厚度只有几个纳米， i n 的组分通常不会超过5 0 ，除了在一些量子井结构中i i l 组分达到了4 5 ，很少 有人研究富i i l 的合金，因为铝镓 i $ ( a 1 g a a s ) 和铝镓铟磷( a 1 g a l n p ) 材料已经覆盖了 这部分波长范围，并且i n g a n 容易出现相分离使得制备高i n 组分的合金比较困难。 2 0 0 2 年后，很多人开始致力于抑制相分离，研究i i l 组分大于5 0 的i n g a n 薄 第一章绪论 膜的性质。s t r i n g f e l l o w 等人1 38 j 讨论了外延i n g a n 薄膜时的相位分凝情况，说明 在薄膜s k 生长模式中相位分凝还涉及应力和组分拉动等因素，并对i n g a n 量予 井中微结构的出现和影响作出了解释；2 0 0 8 年p a n t h a 等人【”峙艮道了采朋m o c v d 法所制备的合金的i n 组分范围为2 5 6 3 ，表面粗糙度在1 5 4 n m 之间，x r d 测量显示没有发现相分凝的情况；2 0 0 9 年半导体所的g u o 等人m 】手艮道了通过优化 生长参数，获得了在蓝宝石衬底上一系列组分从1 0 - - - 4 5 的单相样品；2 0 1 0 年 p a n t h a 等人1 4 l j 在提高m o c v d 生长速率的情况下，获得了在a l n 蓝宝石衬底上厚 度和组分分别为1 1 微米和6 5 的i n g a n 材料。目前，采用m o c v d 法也可以制 备单相组分从5 0 1 0 0 的合金，而m b e 技术也成功实现了伞组分的外延膜【4 2 4 4 】。 现在大部分对i n 富集的研究主要是理解其合金的基本性质，例如结构、电学、 光学性质以及如何提高薄膜的组分和结晶质量上。 1 2 2i n n 基材料在光电器件中的应用研究与进展 早在2 0 0 3 年，w u 等人f 4 5 】提出将l n g a n 材料应用到太阳电池的设计申；2 0 0 7 年j a n i 等人【4 6 】采用m o c v d 法制备的单结i n 0 2 8 g a n ( 2 4 e v ) 太阳电池，其开路电压 是2 i e v ，并有很强的光伏响应，如图1 5 ；2 0 0 8 年，h s u 等人【4 7 】在s i 基材料中 结合了i n g a n 制备了结构为p i n o 5 g a o s n n i n o 5 g a o 5 n p s i n - s i 双结和i n l 一x g a x n i n l 一y g a y n s i 三结太阳能电池，其转换效率分别为达到了3 l 和3 5 。 p - g a n 窗口层：1 0 n t o p 4 n g a n ：l o o n ml 0 n 4 n g a n ：2 0 0 n m g a nt e m p l a t e i n g a n 、i n n 及其异质结构材料生长与特性研究 波长( 1 i r a ) 图1 6 光电材料的外量子效率 4 8 2 0 0 4 年，r i c a r d oa s c a z u b i 5 1 】等人第一次报道了i n n 薄膜的t h z 发射脉冲。该 i n n 薄膜是利用m b e 生长方法在蓝宝石衬底上制备的，利用钛一蓝宝石激光器产 生的脉冲时间为7 0 f s 、波长为8 0 0 n m 的激光来激发，采用z n t e 晶体来进行探测。 实验发现i n n 材料的这种由光激发的瞬态光电流引起的t h z 发射要比以往半导体 材料中的都要强。2 0 0 9 年，w a n g 等人【5 2 】通过提高晶体质量和载流子补偿的方式提 高了t h z 发射强度。 2 0 0 4 年，l u 等人【5 3 】发现，在水或甲醇等类似的溶剂中，i n n 的薄层载流子浓 度和迁移率响应很快，i n n 对阴离子的响应具有选择性、稳定性、时间快和可重复 性的特点，而对阳离子不敏感，说明这种感应机制是基于其正的表面态，吸引了 水溶液中的负电的离子；同样，i n n 表面被氨基硅烷功能化可以用来束缚带负电的 金胶体；此外，p t 包裹的i n n 纳米棒暴露在氢气中电阻会发生变化，而对氮气和 氧气没有响应。所以，可以通过i n n 基的二极管电学性质的变化来探测某些化学 物质的存在。 2 0 0 6 年，p a c e b u t a s 等人【5 4 】利用由钕激光器产生的2 p s 的能量为1 1 7 e v 脉冲 研究了i n n 外延层的光漂泊效应，实验发现i n n 薄膜中存在着非常强的光漂白效 应，并且反应速度只有2 p s ；在1 5 5 u m 的激光波长下仍然可以观察到光漂白效应， 这意味着i n n 材料可以在光通信中作为超快光开关器件。 1 2 3i n n 基材料在电子器件中的应用研究与进展 理论上，与g a n 和a 1 n 相比，i n n 基电子器件的速度更快，进而在高频厘米 和毫米波器件应用上具有非常独特的优势嘲。l i n 5 6 1 制备了i n n a 1 n 的场效应晶 第一章绪论 体管( f e t ) ，从测最结果看该结构具有典型的晶体管特性，并预测了栅宽为0 1 微 米的i n n 基f e t 截止频率可以超过1 t h z 。将i n 引入到h 前的g a n 基的高电子迁 移率晶体管( h e m t ) ) j 料结构巾，也会提升器件的性能，常规的g a n 基h e m t 的 i 旧层、沟道层和沟道层的下面通常都g a n 材料，近1 - 年来，有不少人研究了i n g a n 合金代替g a n 材料时器件表现出不同的特性。 在i n g a n 作为沟道层材料方面，在2 0 0 2 2 0 0 4 年之间，i n g a n 沟道h e m t 异 质结构中2 d e g 的室温迁移率不高，在2 0 0 8 5 0 c m 2 v s 之间。 2 0 0 4 年n o k a m o t o 等人【5 7 】制备了a 1 0 3 g a n ( 2 0 n m ) i n o 0 6 g a n ( 3 n m ) 的异质结 构，二维电子气( 2 d e g ) 的迁移率达到为1 1 0 0c m 2 v s ，在漏压为5 v 条件下，1 2 微米栅宽卜截止频率为8 g h z 。 2 0 0 6 年半导体所【5 8 】报道了栅长0 8 岬、栅宽1 2 0 9 m 的i n g a n 沟道器件饱和 电流为4 3 5 m s m m ，截止频率和最大频率分别为5 8 g h z 和1 7 g h z ，2 d e g 的室温迁 移率为6 3 0 c m 2 v s 。 2 0 0 7 年美国的j x i e l 5 9 1 报道了i n o 1 8 a i n i n o 0 4 g a n 和a 1 0 2 4 i n o 0 1 g a n i n o o a g a n 两种结构的2 d e g 的面密度分别为2 1 3 1 0 1 3c m - 2 和1 2 6 x1 0 1 3 c m - 2 ，室温迁移率 分别为8 2 0c m 2 v s 和1 2 3 0 c m 2 v s 。 在i n o a n 作为背势垒层材料方面，利用i n g a n 势垒层来增加沟道中电子的限 域性，通过极化提高了缓冲层的导带，提高了器件的直流和射频输出电导，抑制 了短沟道效应。 2 0 0 6 年，来自香港科技大学电子工程系的j i el i u 等人采用i n g a n 作为背势垒 的材料【6 0 】，研制a l o 3 g a o 7 n ( 2 0 n m ) g a n ( 7 n m ) i n o 1 g a o 9 n ( 3 n m ) g a nd h h e m t s 。室 温下迁移率为1 3 0 0c m 2 v s ，面密度为9 8 4x1 0 1 2 c m - 2 。l l a m x1 0 0 p m 器件的峰值 跨导达到了2 3 0 m s m m ，夹断频率f t 为1 4 5 g h z ，振荡频率为4 5 5 g h z 。器件在 2 g h z 下，最大功率密度为3 4 w m m ，功率附加效率为4 1 。此外当v d s = 1 0 v 时该器件的关态源漏泄漏电流仅有5 p a m m 。 2 0 0 7 年，中科院半导体所的j i a nt a n g 等人利用m o c v d 生长出 a l g a n a l n g a n i i l g a n g a n 异质结构材料【6 1 】。室温下2 d e g 迁移率高达1 9 5 0 c m 2 v s ，比相同结构的单异质结构高5 0 ，面密度为9 8 4 1 0 1 2 c m _ 2 。 2 0 0 8 年4 月，南卡大学电子工程系的y a n q i n gd e n g 等人【6 2 】采用i n o a n 沟道层 和i n g a n 背势垒层制成了一种栅长为1 8 0 n m 的g a n 基m o s d h f e t 。该器件的的 峰值电流密度达到了1 3 a m m ，漏极偏置为3 5 v 2 6 g h z 下的r f 功率为3 1 w m m 。 器件的弁为6 5 g h z ，f m 。x 达到9 4 g h z 。这些器件的亚域斜率s 和漏诱导势垒降低 ( d i b l ) 分别为7 5 m w d e c a d e 和8 0 m v 。 2 0 1 0 年，l e e 等人【6 3 】则制成了具有五个3 n mi n o 1 g a o 9 n 1 2 n mg a n 的多量子井 背势垒的g a n 基m o s d h f e t ，获得了峰值跨导为1 1l m s m m 卫星峰跨导为 1 0 i n g a n 、i n n 及其异质结构材料生k 与特性研究 2 4 m s m m 。 在i n g a n 作为帽层材料方面，由于它可以提高势垒层的能带，使2 d e g 的费 米能级处于导带底以下，所以可以用来制备常关器件。 2 0 0 7 年，t m i z u t a n i 等人畔】首先报道了材料i n 组分为厚度为5 n m 的i n g a n 材料作为帽层时，开启下降到了电压0 4 v ，在栅长为1 9 9 m 时，跨导为8 5 m s m m ， 刻蚀刻蚀掉栅与源漏的区域的i n g a n ，消除了源漏寄生电阻后跨导达1 3 0 m s m m 。 2 0 0 8 年，m i t s u a k is h i m i z u 等人【6 5 】采用p 型掺杂的i n g a n 帽层，实现了开启 电压0 5 v 在栅长为2 1 t m 时，跨导为1 2 0 m s m m ，最大漏电流为2 1 0 m a m m ，截 止频率和最大频率分别为2 1 g h z 和6 4 g h z 。 2 0 1 0 年c h u ，b y u n g h w a n 6 6 】报道了在a i g a n g a nh e m t 的栅周围淀积i n n 薄 膜，实现了对氯化物离子的实时监测，实验发现，随着卤化物离子浓度的增加， 源漏电流增加，可辅助进行葡萄糖的传感器监控。另外，基于h e m t 的探测器还 应用到无线数据传输系统的远程探测中。 1 2 4 目前存在的问题和本文的研究意义 为了满足器件高性能的需要，人们致力于i n n 基材料的研究，期望可以制备 出各种组分特别是高i n 组分的i n g a n 材料，但是i n n 生长的特殊困难性和i n g a n 合金中的相分离等问题，阻碍了高质量的i n n 基材料的制备，除了i n g a n g a n 超 晶格在g a nl e d 器件方面得到广泛应用外，在几十纳米以上的i n n 基材料在器件 方面的应用始终受到很大限制。人们利用m o c v d 法尝试在不同温度下所制备的 i n n 薄膜，其背景载流子浓度在1 0 1 8 c m 3 量级，迁移率在1 3 0 0 c m 2 v s 左右上下- m b e 所制备