（微电子学与固体电子学专业论文）ganain超晶格半导体材料的脉冲mocvd生长以及表征研究.pdf

摘要 摘要 g a n a 1 n 超晶格结构在光电探测器，激光器，远红外发光器件上的用途越来 越广，生产低成本、低缺陷浓度、组分界面清晰的此类超晶格结构成为限制其应 用的主要问题。目前使用的m b e 生长方法，可以得到较好的超晶格界面。但是其 成本巨大，生长速率低，不利于大规模生产。而使用成本相对较低，适合商业生 产的m o c v d 生长方法所淀积的g a n a 1 n 超晶格在材料质量方面却不如m b e 出 色，需要对其生长方法进行进一步的优化。 本文正是在这种背景下，将g a n a 1 n 超晶格材料作为研究对象，主要研究了 提高超晶格界面的生长方法，超薄周期厚度的g a n a i n 超晶格在替代高a l 组分 a 1 g a n g a n 异质结势垒层方面的应用等。 具体成果与意义如下： 首先，根据脉冲法的思路，并且结合实验设备的特点，提出了一套独特的生 长方式单脉冲间断生长，区别供氨法。即在超晶格生长过程中，a 1 n 薄层和 g a n 薄层使用氨气量不同，每层薄层生长过程中m o 源脉冲一次，脉冲结束后有 短暂的生长停顿时间，在这段时间仍然保持氨气的持续通入。这种采用不同氨气 量的方法，可以保证不同薄层所需的最优v i l l 比，有效提高超晶格结晶质量。并 且利用间断的时间，不仅可以进行m o 源转换和氨气流量转换，而且可以对薄层 表面进行氮化处理，进一步提高薄层结晶质量以及表面形貌。通过实验，成功得 到了表面形貌较好的超薄层周期厚度g a n a i n 超晶格。 其次，研究了超薄周期厚度的g a n a 1 n 超晶格生长温度，通过两组实验，得 到了适宜超薄周期厚度g a n a 1 n 超晶格的生长温度。同时，通过实验，研究并分 析了在高温情况下，由于g a n 发生了分解反应，导致整个超晶格材料结晶质量下 降。并且发现了低温情况下，g a n 层出现了表面塌陷( s u r f a c ed e p r e s s i o n ) 现象， 导致超晶格结晶质量下降。 再次，我们将超薄周期厚度的g a n a i n 超晶格材料使用到了a 1 g a n g a n 异 质结中，让其替代原先的a l l o y a i g a n 势垒层，即成为类a 1 g a n ( q u a s i a i g a n ) 势垒层。在本文中，g a n a 1 n 超晶格的等效a l 组分达到4 5 ，我们将该样片和普 通的a l l o y a l o 4 5 g a o 5 5 n g a n 异质结进行比较，实验结果得出这种超晶格结构具有 更高的2 d e g 浓度和较高的耗尽电压。并且通过实验，我们得到了这种类势垒层 结构将提高高舢组分的势垒层临界厚度这一结论。 最后，我们通过一维自洽求解薛定谔泊松方程，模拟研究了在使用超晶格做 势垒层的时候，不同等效m 组分，不同超晶格周期数，不同超晶格周期厚度下的 i i g a n a i n 超晶格半导体材料的脉冲m o c v d 生长以及表征研究 q u a s i - a i g a n g a n 中2 d e g 浓度变化。在不考虑a u o y - a i g a n 势垒层弛豫的情况下， 我们将q u a s i - m g a n g a n 和a l l o y a 1 g a n g a n 结构进行了比较，得出了 q u a s i - a i g a n g a n 能够形成更高2 d e g 浓度的结论。而且g a n a 1 n 超晶格做势垒 层不仅可以提升2 d e g 浓度，并且这种结构在高a l 组分下具有较厚的临界厚度， 可以更为广泛的应用到高a l 的q u a s i a i g a n g a n 结构中。 关键词：g a n a i n 超晶格脉冲m o c v d 高a l 组分h e m t a b s t r a c t a b s t r a c t g a n a i ns u p e r l a t t i c e ( g a n a i n - s l ) c a l lb ew i d e l yu s e di np h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r s ， l a s e r sa n di n f r a r e dd e v i c e s b u tt h e r ea r es t i l ls o m ed i f f i c u l t i e si nt h em a s sp r o d u c t i o no f l l i g hq u a l i t yg a n a i ns u p e r l a t t i c e ，i e g r o w t ho ft h es l 丽ml o wd e f e c ta n ds h a r p i n t e r f a c ea tl o wc o s t t h em o l e c u l a rb e a me p i t a x y ( m b e ) t e c h n i q u eu s e di n g a n a 1 n s lg r o w t hi sa d v a n t a g e o u st of o r mm o n o a t o m i cs m o o t hs li n t e r f a c e ，b u ti ti s h i 曲i nc o s ta n dl o wi ng r o w t hr a t ea n dn o ts u i t a b l ef o rm a s sp r o d u c t i o n m e t a lo r g a n i c c h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ( m o c v d ) i sat e c h n i q u ew i d e l yu s e d i nc o m m e r c i a l p r o d u c t i o nw i t hr e a s o n a b l ec o s t ，b u tt h ei n t e r f a c ea n dt h es u r f a c eo fm o c v dg r o w n s l a r eu s u a l l yn o ta sg o o da st h o s eg r o w nb ym b e s oi ti sn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h e m o c v dg r o w t hp a r a m e t e r so fg a n a 1 n s l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em o c v d g r o w t ho fg a n a 1 n s li ss t u d i e dt oi m p r o v et h e s ls u r f a c ea n di n t e r f a c eq u a l i t y , a n di ti sa l s oi n v e s t i g a t e dt h ep o t e n t i a la d v a n t a g eo f u s i n gg a n a i n - s l ，o rq u a s i - a 1 g a nb a r r i e r , i n s t e a do fa na l l o y a 1 g a nb a r r i e rl a y e ri n a 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e st of o r m h i g hp e r f o r m a n c eh i 曲- a ic o m p o n e n t a i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s t h em a j o rw o r ka n dr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s f i r s t l y , a c c o r d i n gt op l u s e dm o c v dm e t h o d ，af e a t u r eo f0 1 1 1 s e l f - b u i l tm o c v d e q u i p m e n t ，i ti sp r o p o s e dan e ww a yt og r o wt h eg a n a i n s l t h ea m m o n i ai sn e v e r i n t e r r u p t e di ng r o w t hb u tc o n t r o l l e dt of l o wa td i f f e r e n tr a t e sf o rg a nl a y e ra n da 1 n l a y e r , a n do n l yas i n g l ep u l s eo fm os o u r c e ( t e g a t m a l ) i si n j e c t e di n t ot h eg r o w t h c h a m b e ra tt h eb e g i n n i n go fd e p o s i t i n ge a c hg a n a 1 nl a y e r i nt h i sw a y , v i i ir a t i o c o u l db es e p a r a t e l yo p t i m i z e df o ra 1 nl a y e ra n dg a nl a y e rt oi m p r o v et h ec r y s t a l q u a l i t y m e a n w h i l e ，t h ei n t e r r u p tf o l l o w i n gt h em os o u r c ep u l s ei nt h ed e p o s i t i o no f e a c hl a y e rp r o v i d e st i m ef o ra d j u s t i n ga m m o n i af l o wr a t ea n ds w i t c h i n gd i f f e r e n tm o s o u r c e ，a n dm o s ti m p o r t a n t l yf o rt h es u r f a c e 、i t hm e t a la t o m sj u s td e p o s i t e dt ob e n i t r i f i e dt oi m p r o v et h et w o d i m e n s i o n a ls m o o t h n e s s a sar e s u l t ，i ti so b t a i n e dt h eh i g h q u a l i t yg a n a 1 ns l 、析t l ls m o o t hs u r f a c ea n du l t r a - t h i ng a n a i np e r i o dt h i c k n e s s s e c o n d l y , t h eo p t i m i z e dt e m p e r a t u r ef o rt h eg r o wo fg a n a 1 ns li so b t a i n e d t h r o u g hs e r i e so fs lg r o w t he x p e r i m e n t s i ti sf o u n dt h a ta tt h eg r o w t ht e m p e r a t u r e h i g h e rt h a nt h eo p t i m i z e do n ed e c o m p o s i t i o no fg a nl a y e r so c c u r sr e s u l t i n gi ns e r i o u s d e t e r i o r a t i o no ft h e c r y s t a lq u a l i t y o fg a n a i ns l w h i l ea tt h el o w e rg r o w t h t e m p e r a t u r es u r f a c ed e p r e s s i o nc a nb eo b s e r v e dw h i c ha l s ol e a d st op o o rs u p e r l a t t i c e i v g a n a i n 超晶格半导体材料的脉冲m o c v d 生长以及表征研究 q u a l i t y t h i r d l y , t h i n - g a n a i n - s li su s e da sb a r r i e rl a y e ro nt o po fg a nt e m p l a t et of o r m q u a s i - a i g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s 1 1 1 ee q u i v a l e n ta 1c o m p o n e n to fq u a s i - a i g a ni sa s h i g ha s4 5 ，a n dt h ec o m p a r i s o no ft h eq u a s i - a l o 4 5 g a o 5 5 n g a nh e t e r o s t r u c t u r ew i t h c o n v e n t i o n a l a l l o y a 1 0 4 5 g a o s s n g a nh e t e r o s t r u c t u r es h o w st h a tq u a s i a i g a n g a n h e t e r o s t r u c t u r eh a sa2 de l e c t r o ng a s ( 2 d e g ) w i mm u c hh i g h e rs h e e td e n s i t ya n d t h e r e f o r eam u c hh i g h e rd e p l e t i o nv o l t a g e i ti sa l s of o u n dt h a tu t i l i z i n gg a n a i n - s la s q u a s i - a i g a nb a r r i e rl a y e rc a ni n c r e a s et h ec r i t i c a lt h i c k n e s sf o rs t r a i nr e l a x a t i o no f h i g h - a lc o m p o n e n ta 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s f i n a l l y , t h eo n e - d i m e n s i o n a ls e l f - c o n s i s t a n ts c h r 6 d i n g e r - p o i s s o nm o d e li su s e dt o s t u d yt h eq u a s i - a i g a n g a nh e t e r o s t m t u r e t h e2 d e gd i s t r i b u t i o na n de n e r g yb a n d p r o f i l ea r eo b t a i n e df o rt h eq u a s i - a 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e s 、析t hd i f f e r e n te q u i v a l e n t a 1c o m p o n e n t s ，d i f f e r e n ts lp e r i o dn u m b e r s ，a n dd i f f e r e n tg a n a i np e r i o dt h i c k n e s s i ti sf o u n dt h a tf o rt h es a m ea 1c o m p o n e n ta n dt h i c k n e s so fa 1 g a nb a r r i e r , t h e2 d e g s h e e tc a r d e rd e n s i t yo fq u a s i - a 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r ei sm u c hh i g h e rt h a n a l l o y - a 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r e e v e nw h e nn os t r a i nr e l a x a t i o ni sc o n s i d e r e d a l t o g e t h e r ，g a n a 1 n - s lu s e da sb a r r i e rl a y e ri ng a nh e t e r o s t r u c t u r e sn o to n l y i n c r e a s e st h e2 d e gd e n s i t y , b u ta l s oi n c r e a s e st h ec r i t i c a lt h i c k n e s so fh i g ha l c o m p o n e n ta l g a nb a r r i e rl a y e r k e y w o r d ：g a n a i ns u p e r l a t t i c e ，p u l s e dm o c v d ，h i g ha ic o m p o n e n th e m t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 新型半导体材料( g a n 材料) 的发展与应用 以g a n 为代表的第三代半导体材料是当今世界半导体研究的前沿和热点，也 是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。第三代半导体材料又称宽禁 带半导体( 禁带宽度大于2 2 e v ) 材料，是继第一代s i 、g e 半导体材料，第二代 g a a s 、i n p 化合物半导体材料之后的新型半导体材料。同第一、二代半导体材料相 比，宽禁带半导体具有宽带隙、高电子漂移速度、耐高温、高热导率、耐高压、 抗腐蚀、抗辐射等突出优点。 表1 1 第一代、第二代、第三代半导体材料性能参数 在宽禁带半导体材料中的s i c 和z n s e 在相当长的一段时间内一直是研究和开 发的重点。由于受没有合适的衬底材料、位错密度大、无法实现p 掺杂等问题的 困扰，g a n 的发展一度非常缓慢。进入9 0 年代以后，随材料生长和器件工艺水平 的不断提高和完善，g a n 基器件的发展十分迅速。g a n 的电子饱和漂移速度高达 2 5x1 0 7 c m s ，与g a a s 相比，相对介电常数不大，约为9 8 ，适合微波器件的制作。 g a n 的击穿电场强度为5 x1 0 6 v c m l ，比g a a s ( 4 x1 0 5v c m 1 ) 和s i ( 3 x1 0 5v c m l ) 大得多，意味着g a n 器件具有更高的击穿电压。相同条件下，g a n 基器件可以有 更高的工作电压，加上g a n 器件的大电流工作能力，g a n 基器件可以有更高的功 率密度，两个衡量器件高频性能的因子，b a l i g a 品质因数b f o m l l 1 1 和j o h n s m 品质 因数j m f 1 引，都显示出g a n 材料的优越性。 在大气压力下，g a n 晶体一般是六方纤锌矿结构。由于g a n 是一种较为稳定 的化合物，并且具有较高的击穿电场，因此g a n 材料成为高频微波器件和高温大 7 4 g a n a i n 超晶格半导体材料的脉冲m o c v d 生长以及表征研究 功率电子器件的重要材料。随着氮化物外延技术的不断发展和突破，已经成功地 生长出了多种g a n 基异质结构，如异质结场效应晶体管( h f e t ) 、金属场效应晶体 管( m e s f e t ) 等新型器件。g a n 的热导率较高，有利于器件在高温和高频大功 率下工作。在许多其他材料器件不能工作的高温状况下，g a n 器件也能正常的工 作而无需制冷器，可以简化电子系统，减轻重量，所以它经常被使用到许多新的 技术领域。 1 2 1 超晶格简介 1 2 超晶格结构材料的简介与制备 1 9 6 8 年江崎和朱兆祥最先提出了超晶格的思想，并在1 9 7 0 年首次在砷化镓半 导体上制成了超晶格结构【i 3 - 1 4 1 。超晶格的成功研制，标志着人们不仅可以利用自 然界中已有的半导体，并且可以人工制造新型的半导体材料。所谓超晶格结构， 就是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，并且薄层厚度的 周期小于电子的平均自由程的人造材料。根据两种不同材料的类型，我们将半导 体的超晶格结构可以分为两个大类：组分超晶格和掺杂超晶格。掺杂超晶格是通 过周期性改变同一成分的各薄层中的掺杂类型而形成的超晶格。例如由p 型和n 型的g a n 交替组成超晶格结构。组分超晶格又称为复合超晶格，是指周期性地变 化薄层材料的成分而构成的结构，如本文中着重分析的g a n a 1 n 超晶格。并且根 据超晶格能带的不同，又可以分为：i 型超晶格，i i 型超晶格，i i 型错开型超晶格。 ( 1 ) 组分超晶格： a ) i 型超晶格：超晶格两种材料中，一种材料的能带完全包含在另一种材料 的能带中，并且必= 必+ 皿，能带匹配情况如图1 1 示。 e c l e v l e c 2 易 与 图1 1i 型超晶格能带匹配图 b ) 型超晶格：超晶格中两种材料的能带相互错开，其中一种材料的价带底 在另一种材料的价带底下方，嘎= i 幄一蛆i ，能带匹配情况如图1 2 示。 第一章绪论 3 e c 2 一 图1 2i i 型超晶格能带匹配图 c ) i i 型错开型超晶格：超晶格中两种材料的能带错开，其中一种材料的导带 顶在另一种材料的价带底下方，岖= i 幄一幄l ，能带匹配情况如图1 3 示。 e v l 一 一 图1 3i i 型错开型超晶格 f - 一，一 ( 2 ) 掺杂超晶格： 在掺杂超晶格中，我们可以将超晶格看成是大量p n 结的重复。由于超晶格 的周期比空间电荷区宽度小得多，因而这些p n 结均为耗尽的，而且p 区和r l 区的 总电荷数要达到平衡。必须注意的一点是，与组分超晶格不同的是，掺杂超晶格 的能带弯曲完全是因为势能变化而引起的。 图1 4 掺杂超晶格能带匹配图 上面只是简要的介绍了超晶格结构能带的匹配关系，对超晶格能带的输运特 性的深入研究，可以参考文献 1 5 1 8 】。 4 g a n a i n 超晶格半导体材料的脉冲m o c v d 生长以及表征研究 由于超晶格具有的量子限制效应， 材料被越来越多的应用到了带隙工程， 量子点光存储器件。 1 2 2 超晶格的制备 共振遂穿效应，声子限制效应等，超晶格 激光器，光电探测器，高速场效应器件， 目前，世界上已经制备出了多种超晶格结构，主要有组分超晶格、掺杂超晶 格。 针对组分超晶格，因为是由两种不同超晶格材料周期性重复而制备的，因此 这种结构的超晶格在制备时需要对生长速率有精确的控制，以保证每层材料的厚 度。超晶格两种材料的界面应该平坦，粗糙度低，组分变化陡峭。这就要求生长 过程中，对不同源之间的切换要迅速，并且在保证晶体质量的条件下，生长温度 要稍微低一些。不同层的化合物组分控制要得当，并且保证每层的化合物元素分 布均匀。如果需要掺杂，也需要保证杂质浓度正确控制，同时保证均匀分布。目 前多数采用的超晶格制备方法是分子束外延( m b e ) ，金属有机物气相外延 ( m o v p e ) ，化学束外延( c b e ) ，原子层外延( a l e ) 等。对掺杂超晶格，一 般要求的掺杂量比较少，因此因为杂质所引起的晶格畸变也比较小，但它并没有 组分超晶格的明显异质界面。目前这种超晶格材料还处于研究中，并没有实用性 的器件制成。 1 3g a n 基h e m t 器件的研究与进展 前两节我们已经针对g a n 材料以及超晶格结构半导体材料进行了简要的介绍， 本节将针对在g a n 基器件中常见的a 1 g a n g a n 高电子迁移率晶体管( h e m t ) 进行 介绍，不仅介绍了传统的a l l o y - a 1 g a n g a nh e m t 器件，还对g a n a 1 n 超晶格如何 应用在q u a s i a 1 g a n g a nh e m t 中进行了介绍。 1 3 1 传统a l l o y - a 1 g a n g a nh e m t 器件 1 9 9 2 年k h a n 等人【1 9 】在蓝宝石衬底上制备了世界上第一个a 1 仉n g 瓠盯n ( 1 0 0 ) n m g a n 异质结，并用s d h 量子霍尔效应证明了a i g a n g a n 异质结界面存在二维电 子气。其面电子密度为1 1 0 1 1c i i l - 2 ，室温迁移率为8 4 3c i n 2 v 。1 s ，7 7k 迁移率为 2 6 2 6c m 2 v 。s1 。随着工艺的不断进步，a 1 g a n g a nh e m t 器件也得到了不断的提 高。 实验室在7 7 k 低温条件下，测得2 d e g 迁移率为2 6 2 6 c m 2 v s 1 一o l ，曾经有文 第一章绪论 章报道了迁移率达到1 0 3 0 0c m 2 n s 1 m 】。而在室温条件下，2 d e g 的迁移率一般维 持在8 0 0 1 5 0 0 c m 2 n s 范围内。 低温( 7 7 k ) 2 d e g 迁移率 ! 1 n ( c m 2 v s ) ( 1 9 9 9 ，1 0 3 0 0 ) ( 19 9 6 ，5 7 0 0 ) ( 1 9 9 5 ，5 0 0 0 ) ( 19 9 2 ，2 6 2 6 ) 1 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 8 y e a r 图1 5 低温( 7 7 k ) 测量得到的迁移率 1 。1 玉1 1 4 1 。； 材料性能提升的同时，a 1 g a n g a nh e m t 器件的性能也得到了不断的提高。 目前a i g a n g a nh e m t 已经达到了输出功率为3 2 2 w m 4 g h z 1 。1 5 1 。 如今g a nh e m t 因为具有禁带宽、击穿电场高和二维电子气浓度大的特点， 所以正在被越来越多的用在微波大功率电路上。但是随着国防的需求，以及人们 日常生活通信水平的不断发展，人们对g a n 基h e m t 的要求越来越高。这种需 求，归根结底是要对材料质量的提高。为了满足高的器件特性，降低方阻成为 a 1 g a n g a n 异质结中一个非常需要研究的方面。为了达到低电阻，我们需要异质 结在高2 d e g 浓度的情况下有较高的迁移率【l 一6 1 。因此，a 1 g a n g a n 异质结处的 2 d e g 是决定h e m t 器件性能的关键所在【1 r 7 。l 1 8 l 。而h e m t 器件中，2 d e g 的浓 度与a 1 g a n 势垒层中的组分有直接关系。传统的g a n 基h e m t 器件的研究主 要集中在低a l 组分( 常见区间是1 5 3 0 ) 。这是因为传统的异质结工艺随着势 垒层a l 组分的增大，由晶格失配导致的应力也随之增加，势垒层的结晶质量会因 此变差，最终导致2 d e g 迁移率下降1 1 9 j 。由于a 1 g a n g a n 的表面形貌不好所导 致的漏电流增大现象也变得严重，最终导致无法用于器件制作【l 2 0 】。这就需要从生 长工艺上改进高舢组分的舢g a n g a n 异质结。 1 3 2q u a s i - a 1 g a n g a nh e m t 器件 针对a l l o y - a 1 g a n g a n 异质结在高触组分时势垒层因结晶质量变差导致 2 d e g 浓度降低这个问题，最早由y k a w a h a m i 1 1 提出使用g a n a 1 n 超晶格做类 咖 籼 薹堇 舢 咖 咖 舢 舢 舢 伽 舢 舢 6 g a n a i n 超晶格半导体材料的脉冲m o c v d 生长以及表征研究 势垒层( q u a s i a i g a n 势垒层) ，并用m b e 方法进行生长实验，对材料结构也做了 初步研究。所谓q u a s i a 1 g a n 就是指利用超薄厚度的g a n a 1 n 超晶格结构代替传 统a i g a n g a n 异质结中的a i g a n 势垒层。在这种情况下，g 心队l n 超晶格不仅 需要生长的周期厚度薄，而且周期数要少。当使用这种g 心a l n 超晶格做 q u a s i a 1 g a n 势垒层时，会在q u a s i a 1 g a n 势垒层和g a n 体材料之间形成浓度较高 的2 d e g 。从2 d e g 的浓度分布上来看，q u a s i a 1 g a n g a n 异质结和 a l l o y a 1 g a n g a n 异质结是一样的。 a l l o y - a i g a n a 1 n 成核层 蓝宝石衬底 q u a s i - a i g a n 图1 6 普通a l l o y - a i g a n g a n 异质结结构图( 左) 和q u a s i a 1 g a n g a n 异质结结构图( 右) 在a l l o y a i g a n i g a n 异质结中，随着砧组分的增加，g a n 体材料和a i g a n 势 垒层之间的晶格失配越来越大，材料结晶质量因为受到越来越大的应力的影响， a 1 g a n 势垒层的结晶质量下降。因此现在通常的合金a i g a n g a n 的a l 组分，一 般设计在1 5 3 0 ，势垒层厚度2 0 n m 3 0 n m 。虽然超薄g a n a i n 超晶格本身不同 于a 1 g a n 势垒层，但是它在h e m t 器件中所起到势垒层的作用与传统a 1 g a n 势 垒层相同，特别在高舢组分情况下q u a s i a 1 g a n g a n 可以克服a l l o y - a 1 g a n g a n 中因为a i g a n 势垒层结晶缺陷所引发的问题。这是因为q u a s i a 1 g a n 层本身的生 长过程并不同于a i g a n 势垒层，是通过a l n 和g a n 交替生长产生赝晶。这时势 垒层受到的应力要比直接生长高m 的a 1 g a n 应力要小。在外延生长方面，国内外 对q u a s i a 1 g a n g a n 的相关研究并不岁1 2 卜1 2 卯。其中，大部分的研究是用m b e 技 术进行生长的q u a s i a 1 g a n 的生长。但是m b e 生长耗时长，成本高，不利于应用 在生产中。目前国内采用m o c v d 进行q u a s i a i g a n 的生长，是从2 0 0 9 年底中国 科学院物理研究所开始进行研究的d 2 5 】。报道中只是对相关的生长出来的 q u a s i a 1 g a n g a n 电学性能进行了初步的研究，并没有从m o c v d 生长方法方面 进行讨论。本文中，我们从m o c v d 生长g a n a 1 n 超晶格出发，提出了优化超晶 第一章绪论 7 格结晶质量的生长方法和生长参数。 在常规a i g a n g a n 异质结中，一般将a l g a n 势垒层的厚度控制在3 0 n m 以下， q u a s i a 1 g a n g a n 中，为了使势垒层同样控制在这个范围内，构成超晶格的每层材 料厚度都必须比较薄。但是g a n 和a 1 n 之间的晶格失配达到2 4 ，目前这种材 料的m o c v d 生长报道并不多，如何交替生长界面清晰的g a n a l n 超晶格结构正 是本文的研究重点之一。 从国外m b e 生长得到的q u a s i a 1 g a n g a n 异质结来看，q u a s i a i g a n 在高砧 情况下保持着良好的电迁移率，并且方阻得到了很大的降低。 表1 2 室温下，普通a l l o y - a i g a n 和q u a s i a i g a n 的a i g a n g a n 异质结电特性h a l l 测量【1 2 2 1 a l l o y 3 l 1 2 3 01 2 1 0 ”4 2 8 a l l o y 4 08 5 41 8 1 0 ”4 0 0 q u a s i 3 1 1 5 2 01 6 1 0 2 5 0 ： q u a s i 4 31 3 8 6 2 6 1 0 u 1 7 2 q u a s i 4 71 3 1 6 2 5 l o ” 1 8 9 如果用m o c v d 生长超薄g a n a l n 超晶格的技术更趋于成熟，那么 q u a s i a l g a n g a nh e m t 器件在高频大功率方面的应用将有广阔的前景。 1 4 本文的研究工作与安排 本文的研究工作受到了西安电子科技大学“宽禁带半导体技术国家重点学科 实验室”的支持。在文章中，以g a n a l n 超晶格材料作为研究对象，首先使用一 维薛定谔泊松联立方程的自洽求解对不同结构的q u a s i a 1 g a n 进行了2 d e g 的计 算求解，并和a l l o y a i g a n g a n 进行了2 d e g 浓度对比。然后从实验出发，提出 了针对多片反应室的m o c v d 设备生长g a n a 1 n 超晶格的生长方法，并优化了生 长参数。最后将实验所得的q u a s i a i g a n g a n 样片和a l l o y a 1 g a n g a n 样片进行了 电特性的对比分析研究。 本文的主要安排如下： 第一章，绪论章，主要介绍了g a n 材料以及超晶格材料的发展与应用，提出 了超晶格材料在替代高a l 组分h e m t 的势垒层中的优势，同时指出了本文的研究 意义。 第二章，通过理论分析和计算，说明了g a n a l n 超晶格替代a i g a n g a n 势 8 g a n a 1 n 超晶格半导体材料的脉冲m o c v d 生长以及表征研究 垒层可行性。并用一维薛定谔泊松联立方程的自洽求解，对不同q u a s i a 1 组分， 超晶格周期数，势垒层厚度进行了计算，得出了不同结构下2 d e g 的浓度。并将 a l l o y a i g a n g a n 和q u a s i a 1 g a n g a n 的2 d e g 计算结果进行了比对分析。 第三章，介绍了蓝宝石衬底上超晶格的生长机理以及g a n 基材料与异质结结 构的表征手段进行了介绍。本文中，使用到的m o c v d 设备为实验室自主研发的 设备，因此生长过程中会与国际上常用的生长办法略有不同，在章节中会进行详 细说明。同时在本章中，也会对不同的材料表征进行介绍，并且会针对超薄超晶 格如何分析进行了介绍。 第四章，重点介绍了为生长g a n a l n 超晶格而特别研究的生长方法一单脉 冲间断生长，区别供氨。研究了超晶格周期数对x r d 测量结果的影响以及对材料 结晶质量的影响。通过实验以及结果分析，确定了超晶格生长较为适宜的生长温 度和n h 3 流量。在章节最后，对g a n a i n 超晶格用于势垒层的样片进行了电特性 分析。 第五章为本文的结论。 第二章q u a s i a i g a n g a n 异质结的理论仿真 9 第二章q u a s i a i g a n g a n 异质结的理论仿真 在第一章中，我们已经介绍到使用g a n a 1 n 超晶格替代a l l o y a 1 g a n g a n 异 质结中势垒层，以q u a s i a 1 g a n g a n 材料结构制成h e m t 器件中是目前非常新的 一个研究方向。在本章中，首先介绍了普通a l l o y a i g a n g a n 异质结产生2 d e g 的原因，随后分析了q u a s i a i g a n g a n 能在“异质结 处产生浓度更高的2 d e g 的原因。最后使用一维泊松自洽仿真软件对q u a s i a 1 g a n g a n 在不同等效砧组分， 不同类势垒层厚度，不同超晶格周期数情况下，2 d e g 浓度进行仿真计算。 2 1 1g a n 基异质结 2 1 超晶格结构与g a n 异质结结构 半导体异质结结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带 隙。这些材料可以是g a n 之类的化合物，也可以是s i g e 之类的半导体合金。 图2 1 所示为分离的n 型和p 型材料的能带图，以真空能级为参考能级。宽带 隙材料的电子亲和能比窄带隙材料的电子亲和能要低，两种材料的能带能量差以 蝇表示，两种材料的价带能量差以a e v 。由图2 1 可知， 和 崛= e ( z 。一z ，) a e c + a e ，= e 印一e 弘= a e g ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 在理想突变异质结中用非简并掺杂半导体，真空能带与两个导带能级和价带 能级平行。如果真空能级是连续的，那么存在于异质结表面的相同的缸。和衄，是 不连续的。理想情况符合电子亲和准则【2 1 】。 1 0 g a n a i n 超晶格半导体材料的脉冲m o c v d 生长以及表征研究 已 瓦 真空能级 i - l 一 战 卜 e z v l 止c e 妒 f j e f p e 瞪 图2 1 分离的n 型和p 型材料的能带不慈图 在普通合金a i x g a l x n g a n 异质结中，导带带阶幄和价带带阶蛆是随着a l 组分的变化而不断变化的。室温下a i x g a l x n 的禁带宽度e g ( 功与a l 组份x 的关系 可以描述为： e 譬( x ) = 6 2 x + ( 1 一x ) 3 4 一x ( 1 一x ) ( 2 3 ) 其中导带带阶噬和价带带阶皈分别为【2 2 】： 峨( x ) = 0 7 e g ( x ) - e g ( 0 ) 】 ( 2 4 ) 衄v ( x ) = o 3 【乓( x ) - e s ( o ) 】 ( 2 5 ) o 3 呵 c 3 牙 ( a ) 导带带阶e c 随舢组分的变化( b ) 价带带阶a e v 随灿组分的变化 图2 2 a i x g a i x n g a n 异质结必和蝇随x 变化曲线示意图 由式( 2 3 ) 可知，随着a l 组份x 的增大，室温下舢x g a l x n 的禁带宽度e g ( 砷 也越来越大，从而使得导带带阶a e c 也逐渐变大。当x = l 的时候就形成了a 1 n g a n 异质结，此时为a 1 。g a l x n g a n 异质结为最大晶格失配，这样就会在异质结的界面 能带上形成阱深非常深得量子阱。 第二章q u a s i a 1 g a n g a n 异质结的理论仿真 11 2 1 2a l l o y - a i x g a l x n g a n 的2 d e g 的形成与密度 二维电子气( 2 d e g ) 是指空间中的电子群，在两个方向上可以自由运动，而 在第三个方向上运动受到了限制。2 d e g 形成的关键因素是半导体能带在空间上某 个方向形成了宽度与德布罗意波长相比的势阱，从而导致电子该方向上的运动受 到了限制。因此，2 d e g 是量子效应的产物。根据势阱中粒子运动的相关特性可知， 其能量在运动受到限制的方向上是量子化的分立能级，而在另外两个方向则是连 续的，总能量仍是连续的。 定义态密度d ( 目为单位能量间隔内允许存在的状态数，则在三维情况下，态 密度通常和能量呈抛物线关系。对异质结量子势阱中的2 d e g 应采取有效质量近 似，即把电子质量m 取为载流子有效质量m 。在纯粹的二维运动中，利用类似的 方法可以推导出： 郴，= 罢= 昙 陪6 ， 从式( 2 6 ) 中可以得出，态密度和能量无关，是一个常数，这是二维运动的 一个重要特点。在准二维运动中，e ，只能是一系列分立的能量值，有，个允许值e ， i = 0 ，1 ，2 ，厶1 。总能量小于e ，= e 状态不允许存在，能量大于厶的态的密 度由二维运动来决定。在z 方向上，e ，