（凝聚态物理专业论文）氮化镓材料中持续光电导相关的深能级缺陷研究.pdf

摘要 摘要 本文针对分子束外延生长g a n 高阻材料中出现的持续光电导现象，研究与之 相关的深能级中心的光致发光谱，持续光电导谱和光离化谱，主要研究结果如下： 1 分子束外延生长g a n 高阻材料的光致发光谱研究发现，室温和低温光致发光 谱中均未出现文献报道的黄光带，结合该材料中出现的持续光电导现象，可以 推断，持续光电导相关的深能级缺陷同黄光带无关。 2 分子束外延生长g a n 高阻材料的持续光电导谱研究表明，光电流的衰减依赖 于仍处于自由状态的光激发剩余载流子，该现象无法用扩展指数模型和多指数 模型解释。针对持续光电导光生电流衰减对剩余载流子的依赖特点，我们提出 了扩展缺陷模型：分子束外延生长g a n 高阻材料的持续光电导现象可能是由 扩展缺陷引起，光激发电子同受主深能级之间的库仑作用导致光电流的持续和 光电流的衰减对光生剩余载流子的依赖。使用扩展缺陷模型对实验结果进行拟 合，结果表明在光生载流子的回复过程中，回复势垒不断升高并最终趋于平衡 值。使用平衡时间常数同时间的阿累尼鸟斯公式拟合结果表明，即使在低温下 ( 7 7 1 3 0 k ) ，电子克服回复势垒被缺陷重新捕捉仍由热激活过程控制，回复势 垒约为7 0 m e v 。 3 提出了一种氮化镓材料中深能级缺陷光离化截面的测量方法，该方法综合考虑 到深能级缺陷在入射光子作用下释放电子的同时还伴随有载流子的回复，从而 弥补了k l e i n 和h i r s c h 光离化截面测量方法的不足。对光离化截面随温度和入 射光子能量的测量表明，g a n 高阻材料中引起持续光电导现象的扩展缺陷具 有类似d x 中心的双稳性质，扩展缺陷电子态同声子态存在较强的耦合。 关键词：氮化镓、光致发光、持续光电导、深能级、光离化截面、扩展缺陷 摘要 a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，t h ed e e pc e n t e r sw h i c hi sr e s p o n s i b l ef o ro b s e r v e dp e r s i s t e n t p h o t o c o n d u c t i v i t yp h e n o m e n a i n u n d o p e d g a n s a m p l e sg r o w nb y m o l e c u l a r - b e a m e p i t a x i a l l y ( m b e ) a r e s t u d i e dw i t h p h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) ， p e r s i s t e n tp h o t o c o n d u c t i v i t y ( p p c ) a n dp h o t o i o n i z a t i o ns p e t a c t r a t h ek e yr e s u l t sa r e 勰 f o l l o w s ： 1 y e l l o wl u m i n e s c e n c e ( y l ) h a sn o tb e e no b s e r v e di np lm e a s u r e m e n t s ，b o t ha t r o o mt e m p e r a t u r ea n dl o wt e m p e r a t u r e ( 1 2 k ) ，i nm b e - g r o w ng a ns a m p l e sw i t h o b s e r v e dp p cp h e n o m e n a t h e s ee x p e r i m e n t a le v i d e n c e sr e v e a lt h a tt h ep p ca n d y li ng a na r en o tr e l a t e dt oe a c ho t h e ra u st h er e s u l t s r e p o r t e dp r e v i o u s l y 2 p p cs t u d i e si nm b e - g r o w ng a ns a m p l e si n d i c a t et h a tp p cd e c a yp r o c e s s e sa r e i n d e p e n d e n to fe x c i t a t i o nh i s t o r ya n dp r e d o m i n a n t l yd e t e r m i n e db yt h ee x c e s s p h o t o c u r r e n t t h ee x t e n dd e f e c t sm o d e li sp r o p o s e dt oe x p l a i nt h eo b s e r v e d r e c o m b i n a t i o np r o c e s so fp h o t o e u r r e n t i nt h i sm o d e l ，t h ee x t e n dd e f e c t sw h i c h s e r v e d 嬲n e g a t i v ec h a r g e dc e n t e r sa r ep r o p o s e dt ob er e s p o n s i b l ef o rt h ep p c p h e n o m e n ai nm b e - g r o w ng a ns a m p l e s t h er e c a p t u r eo fe x c e s sc a r r i e r sb yd e e p c e n t e r sa l er e t a i n e db yt h ec o l u m nb a r r i e rb e t w e e ne x c e s sc a r r i e r sa n dt h ee x t e n d d e f e c t s ag r a d u a li n c r e a s eo fr e c a p t u r eb a r r i e rt ot h ee q u i l i b r i u mv a l u ec a nb e o b t a i n e db yf i t t i n gt h ed e c a yc u r v e su s i n gt h ee x t e n dd e f e c t sm o d e l t h ea r r h e n i u s p l o t so f 百( t ) a td i f f e r e n td e c a ys t a g e sf o ran u m b e ro ft e m p e r a t u r e ss h o wt h a tt h e d e c a yp r o c e s si so b v i o u s l yg o v e r n e db yt h e r m a la c t i v a t i o nw i t ht h ee n e r g yb a r r i e r i n c r e a s i n gw i t ht i m e a f t e raf e wh u n d r e ds e c o n d s t h eb a r r i e rh e i g h ti s a p p r o x i m a t e l y7 0m e vw h e ni ta p p r o a c h e ss a t u r a t i o n 3 an e wm e t h o di sp r o p o s e dt om e a s u r ep h o t o i o n i z a t i o nc r o s ss e c t i o no f d e e pc e n t e r s i ng a n t h i sm e t h o dt a k ei n t oa c c o u n tt h er e c a p t u r eo ft h ec a r r i e r sb yt h ed e e p c e n t e r sd u r i n gt h ep r o c e s so fl o c a l i z e de l e c t r o n sr e l e a s e df r o mt h ee x t e n dd e f e c tb y e x c i t a t i o no ft h ei n c i d e n tp h o t o n s t h et e m p e r a t u r ea n di n c i d e n tp h o t o ne n e r g y i i 摘要 d e p e n d e n ts t u d i e s o fp h o t o i o n i z a t i o nc r o s ss e c t i o ns h o wt h a tt h ep p c r e l a t e d e x t e n dd e f e c th a st h eb i s t a b l ec h a r a c t e rs i m i l a rt ot h ed xc e n t e r l a r g el a t t i c e r e l a x a t i o nt a k e sp a r ti nt r a p p i n ga n dd e t r a p p i n gp r o c e s so ft h ec a r d e r sf r o mt h e d e e pc e n t e r s k e y w o r d s ：g a l l i u mn i t r i d e ，p h o t o l u m i n e s c e n c e ，p e r s i s t e n tp h o t o c o n d u c t i v i t y , p h o t o i o n i z a t i o nc r o s ss e c t i o n ，d e e pc e n t e r , e x t e n dd e f e c t i i i 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知 识产权归属于培养单位。 本人签夸夕垄二性日期：哩型 第一章绪论 第一章绪论 在信息技术的各个领域中，以半导体材料为基础制作的器件，在人们的生活 中几乎无所不及，不断地改变着人们的生活方式和思维方式，提高了人们的生活 质量，促进了人类社会的文明进步。 回顾半导体材料的发展历程，我们不难发现，半导体器件性能的几次飞跃， 均可归功于新型半导体材料开发研制的成功。首先，硅单晶的成功制备使得半导 体材料在微电子领域的应用成为可能，当今日用家电和计算机的广泛应用均建立 在硅器件的基础上，在2 0 世纪8 0 年代，硅的超大规模集成电路( v l s i ) 已进入 实用阶段。一般而言，人们称以硅、锗为代表的半导体材料为第一代半导体材料。 而后，对第二代半导体材料一砷化镓材料的研究使人们进入光电子学时代，用砷 化镓材料及其相关的常规i i i v 族化合物半导体材料，如铝镓砷、磷化镓、磷化 铟等制备的光电器件在光通讯和光信息处理等领域起着不可替代的作用。同时， 随着外延技术的不断进步，高质量砷化镓外延材料的成功制备使得高速高电子迁 移率晶体管的出现成为可能【l 】。 表1 1 ：半导体材料电学性能一览表 氰n 镕十# 4 电导相* 镕# 陷w 究 目前人们又开始研究第三代半导体材料一宽禁带半导体材料其中包括金刚 石”、立方氢化硼p l 、氧化锌( z n o ) t 4 l 、氮化镓( g a n ) 等。图l l 中给出了不 同半导体材料的晶格常数和禁代宽度。从图中可以看出，宽禁带半导体材料的共 同特点是它们的禁带宽度在3 3 72 e v 之间，是硅材料的3 7 倍，是砷化镓材料的 2 - 4 倍，由于这类材料在特殊领域中的潜在应用潜力，使得它们在近2 0 年内倍受 关注【5 剖。 l a t t i c ec o n s t a n ta 【知 图11 ：各种半导体材料的晶格常教与禁带宽度示意圈 12g a n 材料的性质 g a n 是直接带隙的半导体材料，它同砷化镓一样同属于i - v 化台物半导体材 料。相对于g a a s 材料而言，g a n 材料的禁带较宽( 室温为34 e v ) ，是i i i v 化台 物半导体材料中少见的宽禁带材料， g a n 是极稳定的化合物，具有较高熔点( 1 7 0 0 ) 。在室温下，g a n 不溶于 水、酸和碱而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。n a o h 、h 2 s 0 4 和h 3 p 仉 能较快地腐蚀质量差的g a n ，可用于这些质量不高的g a l l 晶体的缺陷检测。g a n 在h c i 或h 2 气环境中，在高温下呈现不稳定特性，而在气环境中最为稳定。 氮化物晶体有三种晶体结构：纤锌矿结构( 六方相、相) 、闲锌矿结构( 立 第一$ 绪论 方相、口相) 和岩盐结构( n a c i 型复式正方结构) 如图l2 所示。通常在g a n 单 晶薄膜中只观察到纤锌矿结构和刚锌矿结构，六方相是热力学稳卷结构，立方相 只是亚稳态结构。在极端高压情况下才出现岩盐矿结构n 图13 和1 4 是从不同 方向观察纤锌矿结构和 j 锌矿结构的二维例示。 母静稍 潮辫黪 网l2g a n 材料中常见的晶体结构纤锌矿结构观察方向分别为( a ) 0 0 0 1 ( b ) 1 1 2 。0 ( c ) 1 1 0 1o 】闪锌矿( d ) 沿【1 0 0 】( 1 x l 1 原胞) ( 砷沿【i l o 】方向( 2 2 x 2 原胞) ( d 沿【l i i 】方i 句( 2 x 2 x 2 原胞1 极性问题是困扰g a n 材料外延生长和器件制备的常见问题。纤锌矿结构的 g a n 材料存在两种极性特征：镓极性和氮极性，分别定义如下：如图l3 所示， 在g a n 材料纤锌矿晶体构形中，如果镓原子三键朝向衬底方向，则称这种g a n 外延材料为镓极性材料：反之，如果镓原予单键朝向村底方向，则称之为氮极性 材料。由于镓原子和氮原子之间相互作用形成的沿c 轴方向的有序排列将在g a n 外延材料中形成宏观自发极化，镓极性材料同氮极性材料自发极化方向相反，并 将同压电极化效应一起共同影响a i g a n g a n 二维电子气结构和g a n 基器件的电 学性能r i o - t 3 i 。 氮化蹿中持续光电目月燕白勺& 缺”r ( 8 ) + c g a n( b ) - c g a n 酗13g a n 材料的饭性 g a n 材料的电学特性是决定器件性能的主要因索。对于在异质衬底上外延生 长的六方相g a n 材料，由于材料中存在大量的缺陷这些缺陷可以成为浅施主 使材料本身呈n 型。室温下n 型g a n 材料中电子的迁移率一般低于1 0 0 0e m 2 ns ， 对p 型掺杂的材料空穴的迁移率一般低于2 0 0e v a 2 v s 。我们小组做了大盈的分子 束外延生长g a l l 材料的制备研究和极性控制工作，研究发现，g a n 材料的电学性 能同外延材料的极性有很大的关系，其中氮极性的非故意掺杂g a n 材料室温载流 子浓度n = 34 x 1 0 ”迁移率13 5c m 2 s ，镓极性的载流子浓度n = 1 0 x 1 0 1 7e m 3 ， 迁移率a = 8 5 8 c m 2 vs 混合极性的g a n 材料载流予浓度n = 28 1 0 ”，迁移率 p = 2 5 e m 2 vs i 鸭 g a n 是直接带隙宽禁带半导体材料，非常适合制作光学器件，与g a n 的光学 特性相联系最紧密的就是其能带结构了1 9 6 9 年m a n a s k a 和t i e t j 等人首次精 确测盈到g a n 直接禁带宽度为33 9 e v c ”】。g a n 具有一个最低的直接能带在布 里渊区的r 点导带有一最低点。等方向性的具有约0 2 2m 的有效电子质量1 1 6 1 7 1 ， 在布里渊区的r 点由于晶体场和轨道旋转的联合作用下导致价带顶部分裂。这种 分裂与自由檄子的带间激发跃迁有关，自由激子的束缚能足够大，就可导致室温 第一章绪论 下激子复合过程占优势，如果重掺杂或载流子注入不是很大( 1 0 1 8 锄。3 ) ，在室 温下是自由激子控制着g a n 的p l 18 1 。 b 久 k 砀 缎 卜 霉弋 ，啼 、 矧 乒 厂矿r l j 呵 人0 t】 譬 晦 陵留x 融 ，、z发，辽 謦 摹 鼙雾 蠢 吝f l j 图1 4 ：六方g a n 材料的价带结构 1 3g a n 材料的制备方法 1 3 1g a n 材料的制备工艺 金属有机化合物化学气相沉积( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ， m o c v d ) ，是最先成功制备高质量的g a n 及其异质结构的工艺技术，备受人们 重视。它以i i i 族金属有机物为族源，以n h 3 为n 源，在高温下( 通常 1 0 0 0 ( 2 ) 进行族氮化物的生长。采用m o c v d 技术生长g a n 及其异质结外延具有两个 优点：首先是产量大，生长周期短；其次，m o c v d 生长g a n 采用1 0 0 0 。c 以上 高温，因此能够提高g a n 外延层的晶体质量【1 9 。2 1 】。图1 5 是典型的金属有机化学 气相沉积设备图。 分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y , m b e ) ，m b e 技术直接以g a 、a 1 或h 的分子束流作为i i i 族源，以n h 3 或n 2 为n 源，在衬底表面反应生成i i i 族氮化物。 采用m b e 生长g a n 及其异质结构材料有三个优点：其一是低温生长，一般在 7 0 0 左右，从而避免了扩散问题；其二，生长后无需进行热处理；其三，在m b e 设备上一般多配备有很强的分析仪器如反射式高能电子衍射仪( r h e e d ) ，从而 氮* 镕十# 电 目* * r 研究 可以进行原位诊断，对生长过程进行十分细致的监测有利于对生长机制进行深 八的研究i 二z - 2 q 。图1 6 是典型的分子柬外延设备图 幽l5 ：金属有帆化台物化学气相沉积设蔷 图l6 ：分子束外延设备 第一章坫论 氢化物外延技术( h y d f i d e v a p o l i r p h a s e e p i t a l h h v p e ) t 2 3 2 i h v p e 技术是一种 g a n 衬底的制各方法它以熔镓和h c i 反应生成的g a c l 为g a 源，n h 3 为n 源，在1 0 0 0 1 0 8 0 于蓝宝石上生长o a n 薄膜。这种技术的特点是生长速度 快( 可选到约4 0 0 9 m h 的生长速度是目前生长速率最快的外延技术) ，设备简 单价格相对较低维护方便。通过这种技术得到的g a n 厚膜应用于衬底可 以有效地减少了品格失配对材料性能的影响。目前这种技术主要为m o c v d ， m b e 技术制备衬底材料。 图17 是氢化物外延设备图，其中图l7 ( a ) 是水平氧化物外延设备；图 ( b ) 是立式氢化物外延设备。 田17 ：氢化物气相外延设备 7 氮化镓中持续光电导相关的深能级缺陷研究 1 3 2g a n 外延中存在的问题和解决方法 g a n 材料制备过程中存在的主要问题是衬底与外延膜的匹配问题，主要体现在 以下几个方面： ( 1 ) 衬底与外延膜的晶格匹配 衬底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二个内容：外延生长面内的晶 格匹配，即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与外延膜的匹配，避免高位错 ( 主要是刃位错) 密度；沿衬底表面法线方向上的匹配，减少反相畴。 ( 2 ) 衬底与外延膜的热膨胀系数匹配 热膨胀系数的匹配也很重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大可 能在薄膜与衬底间引入应力，使它们产生裂纹外，还会在器件工作过程中，由于发 热而造成器件的损坏。 ( 3 ) 衬底与外延膜的化学稳定性匹配。 衬底材料需要有相当好的化学稳定性，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质 量下降。 ( 4 ) 材料制备的难易程度及成本的高低。 考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不高。所以选择 的衬底就要在晶体结构、晶格常数和热膨胀系数方面与g a n 有相似性。在利用 h v p e 生长g a n 时，衬底材料处在高温( 1 0 0 0 c ) 、高浓度的n h 3 ，h 2 ，和h c l 环境下，应保持化学稳定性，另外，为了g a n 的应用，还要考虑到衬底的物理特 性。 针对以上问题，目前采用的解决办法包括： ( 1 ) 使用晶格常数和热膨胀系数更为匹配的材料作衬底， 如表1 2 所示，目前，在g a n 材料制备中广泛使用的衬底材料是蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 和碳化硅材料( 6 h s i c ) 。 同时，由于铝酸锂( l i a l 0 2 ) 晶体和镓酸锂( l i g a 0 2 ) 晶体与g a n 的外延膜的 失配度相当小，也被应用于g a n 的外延膜的制备研究中。l i g a 0 2 作为g a n 的外 延衬底材料，还有其独到的优点：外延生长g a n 后，l i g a 0 2 衬底可以被腐蚀去除， 便于器件的制作。 另外一个常用于g a n 的外延研究的材料是镁铝尖晶石( m g a l 2 0 4 ) 。由于 8 第一章绪论 m g a l 2 0 4 晶体具有良好的晶格匹配和热膨胀匹配，( 1 11 ) 面m g a l 2 0 4 晶体与g a n 晶格的失配率为9 ，具有优良的热稳定性和化学稳定性，以及良好的机械力学 性能等优点，m g a l 2 0 4 晶体目前是g a n 较为合适的衬底材料之一。 表1 2 ：g a n 衬底材料性能参数 a g a n 1 3 - o a n a - a 1 2 0 3 6 h s i c 3 c s i c ( 111 ) a l n s i ( 1 1 1 ) g a a s ( 1 1 1 ) o a p ( 1 1 1 ) z n o 1 - l i a l 0 2 l i g a 0 2 m g a l 2 0 4 p 6 3 m e ，4 3 m 足3c p 6 3 m e f 4 3 m c 刍一p 63 m c f d3 m f 4 3 m f 4 3 m p 6 3 m c p 4 a 2 x 2 p n a 2 x f d3 m 3 1 8 9 5 1 8 5 4 4 9 4 5 5 4 7 5 91 2 9 9 3 0 8 1 5 1 2 3 0 8 2 3 1 1 14 9 8 0 3 8 4 0 3 9 9 7 5 4 0 5 5 3 2 5 25 2 0 7 a o = 5 4 0 2 b o = 6 37 2 c o = 5 0 0 7 5 1 6 96 2 6 7 0 8 0 8 3 5 5 93 1 7 7 54 7 5 4 24 6 8 2 7 7 4 1 55 2 7 4 7 5 3 5 9 6 4 6 2 9 1 30 一 o 0 5 1 6 b ) 4 9 3 5 4 93 4 7 22 4 1 52 0 4 0 52 5 3 0 81 6 6 1 31 9 ( 2 ) 同质外延 侧向外延生长( l a t e r a le p i t a x i a lo v e r g r o w t h ，l e o ) 技术【3 3 。6 1l e o 技术是一 种可以减小位错密度，改善g a n 外延层的晶体质量的外延方法。其工艺是首先在 9 氮化镓中持续光电导相关的深能级缺陷研究 蓝宝石衬底上淀积一层几微米厚的g a n 或a 1 n 缓冲层，再淀积一层多晶态的s i 0 2 或s i n 。，然后利用光刻和刻蚀技术，在g a n 衬底上形成外延生长的窗口。实验结 果表明，利用该方法生长g a n 的位错密度大大降低，晶体质量大幅度提高了。虽 然l e o 生长的g a n 质量非常好，但其牵涉的工艺很复杂，耗时较长，成本较高。 ( 3 ) 两步外延生长工艺目前常用的衬底材料与g a n 之间存在较大的晶格失配 和热失配，因此怎样利用外延来比较有效减小失配变成一个重要的问题。早期研 究中，外延层在随后的冷却过程中，由于热应力的释放导致经常开裂。1 9 8 3 年， y o s h i d a 等通过对比分析发现，用m b e 的方法，在a - a | 2 0 3 衬底上，先低温生长 a i n ，然后再在其上生长g a n ，获得的单晶层的质量明显要优于直接在a a 1 2 0 3 生长的单晶层。通过多层缓冲层缓解了晶格失配和热膨胀系数的差异引入的缺陷， 大幅度提高了晶体质量。 ( 4 ) 多孔衬底多孔衬底技术是缓解g a n 厚膜生长过程中的应力问题的较好方 法，一般使用阳极腐蚀法，将硅衬底腐蚀成多孔硅，然后进行g a n 的厚膜生长， 取得了较好的结果。我们组发明了一种在准多孔衬底上用h v p e 技术生长高质量 g a n 外延膜的方法，通过湿法腐蚀分子束外延生长混合极性g a n 材料，使其表面 形成多孔结构，使用这种多孔结构进行g a b l 材料的厚膜外延，可以大幅度降低材 料中存在的内部应力，提高晶体质量。 1 4 1 光电子器件 1 4g a n 的用途 以g a n 为代表的i 族氮化物半导体材料为直接跃迁半导体材料，发光效率高， 包括a 1 n 、g a n 、i n n 及以此为基础的三元合金( a 1 g a n 、i n g a n ) 、四元合金 ( a i i n g a n ) 材料，这些固溶体可制造发光器件，是光电集成材料和器件发展的 方向，其禁带宽度从i n n 的1 9 e v ，连续变化到g a n 的3 4 e v ，再到a i n 的6 2 e v , 这 个范围对应于光谱中整个可见光及紫外光范围。用i 族氮化物材料可以制作从红 光到紫外光的发光二极管( l i g h te m i t t e rd i o d e ，l e d ) 和激光二极管( l a s e rd i o d e ， l d ) ，实现红、绿、蓝可见光三基色发光。l e d 可作为全色显示屏和指示器、高 效节能的交通信号灯和可调色照明灯。紫外l e d 还可以用来制作验钞机，还可以 用来激发磷做白光照明灯。目前，基于g a n 材料的高亮度功率型半导体照明是化 1 0 第一章绪论 合物半导体乃至整个光电子和半导体产业界的研发热点，发展前景极其广阔。与 传统照明技术相比，这种新型光源具有高效节能、长寿命、小体积、易维护、环 保、安全、耐候性好等优势，被公认为是极具发展前途的照明光源。有数据表明， 若用l e d 取代白炽灯和荧光灯，可节省3 8 座核电站的电力【3 7 4 3 1 。 o1 9 7 0l 蛾 1 9 8 0 1 9 够 1 9 9 01 9 9 5 年度 图1 8 ：发光器件的发展历史简图 利用g a n 直接带隙和宽禁带的特点可以使用g a nl d 制作蓝光激光器，目前 i 族氮化物材料及其它们的固溶体是蓝光辐射为中心的研究热点。因为光信息传 输速度快，容量大，效率高，同时，由于光盘的存储密度与激光器的波长的平方成 反比，因此采用短波长的激光器可望使光盘的存储能量提高4 8 倍，使用g a n 基蓝光激光器可使光盘的存储能力提高到1 5 g 比特【4 4 4 9 】。 紫外探测器：g a n 基材料特别适合做紫外探测器【5 0 ”】。当在强可见光和红外 辐射背景中探测紫外信号时，要尽量避免和减少背景信号的干扰。如果使用s i ， 一 等通常材料的探测器时，需要加滤光片，这会减少探测器的灵敏度。由于g a n 材 料宽禁带的特点，用它制备的光探测器对波长大于3 6 5 n r n 的可见光和红外光是不 敏感的，而对于波长小于3 6 5 n m 的紫外光却有大的光响应，而且，由于g a n 材 料电子迁移率较高的特点，使得该材料制备的紫外光探测器在相同的光照射下具 氰化饽中持续光电导自i 关的* 目m 究 有更高的灵敏度。对于a i g a n ，通过调节a i 组分可以调节带隙宽度制成日光 盲紫外探测器其截止波长从2 0 0 3 6 5 n m 之间，在这个范围内的探测器可用于火 焰探测、燃烧诊断、光谱学和紫外监视等。紫外光电导探测器的结构如圈19 所 示 n 型 b o 型屯投 14 2 微波器件 图19 紫外光电导探测器结构图 g a n 基微波器件是在常规i i i v 族半导体器件的基础上发展起来的。由于g a n 材料具有高的热导率，高的击穿场强，高饱和电子速率咀及高的键合能等优点， 所以特别适合制备高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀的电子器件。这些器件包括金 属半导体场效应晶体管( m e t a l s e m i c o n d u c 协r f i e l de f f e c t t r a n s i s t o r s m e s f e t ) 、异质 结构的高电子迁移率晶体管( h i g he l e c t r o n m o b i l i t y t r a n s i s t o r s ，h e m t ) 。 金属半导体场效应晶体管 图11 0 示出m e s f e t 的结构模型。首先在半绝缘性衬底上进行选择性离子 注入形成有源层，再在其表面制作源和漏的两个欧姆电极，井在两者之间制作肖 特基的栅电极，形成三端结构。f e t 结构的基本参数有 栅的长度l c ( 也叫做沟 道长度，但沟道长度难以严格定义) ，栅的宽度w g 。，有源层厚度a ，耗尽层深度 h 。将栅耗尽层下面的有源层部分叫做沟道。由于电子比空穴的迁移率大，因而通 常用以电子为载流子的n 型作为有源层【5 1 。 第一章绋论 翌霎 圈11 0 ：金属半导体场效应晶体管( m e s f e t ) 薛j 截面结构 g a n 基高电子迁移率器件( h i g he l e c t r o nm o b i l i t y t r a n s i s t o r h e m t ) “拼】 g a n 基h f e t 在文献中还有各种简称如：调制掺杂场效应管 m o d f e t ( m o d u l a t i o n d o p e d f e t ) 高电子迁移率晶体管h e m t ( h i g he l e c t r o n m o b i l i t y t r a n s i s t o r ) 。 图1i l ：g a b 基高电子迁移牢器件( h e m t ) 纵向结构 1 9 9 3 年，第一篇有关g a n 基h f e t 的文章发表时，器件的栅长为4 u m ，最大饱和 电流k d 是5 0 0 m a m m ，跨导是2 8 m s m m ，当时还没有微波性能方面的数据。一年后， 出现了截止频率( ) 和最大振荡频率( m ) 的相关数据，分别是1 1 g h z 和3 5 g h z 。此 后，无论是材料生长工艺还是器件工艺都取得了长足的进步，器件的性能也有了很 大的提高。生长工艺的技展带来更高品质的材料。最初的衬底材料有蓝宝石 缸a 1 2 0 3 ，s i ) 等等，现在j - 泛使用的衬底是蓝宝石和s i c 。器件工艺的提高已使栅的 尺寸从微米量级o l 微米) 发展到亚微米置级( 几百纳米) 。目前。在直流特性上，展大 氮化镓中持续光电导相关的深能级缺陷研究 跨导分别是，在蓝宝石衬底上为4 0 0 m s m m ，在s i c 上为2 7 0 m s m m ；最大饱和电流 在蓝宝石上为1 1 3 0 a r a m ，在s i c 上则可达1 7 a m m 。在微波特性方面，器件的截 止频率( ) 最高达1 1 0 g h z ，最大振荡频率( 嗽) 则超过1 4 0 g h z 。输出功率密度的最 高水平，在蓝宝石衬底上是频率为1 8 g h z 时的3 3 w r a m ，输出功率附加效率( p o w e r a d d e de f f i c e n c y , p a e ) 是1 8 。2 ；而s i c 衬底上在频率为2 0 g h z 和1 0 g h z 时分别可 达2 9 7 w r a m 和6 9 w r a m ，其输出功率附加效率( p a e ) 分别是2 2 5 和5 1 。总栅 宽为3 m m 的器件，输出功率甚至达到9 1 w 。o a n 基h f e t 主要有以下优点： 1 较高的二维电子气浓度 由于g a n a i g a n 异质结的压电效应较强，并由于该结构的导带不连续性较 大，所以得到的二维电子气浓度可达l x l 0 1 3 c t i i 2 ，比g a a s d a i g a a s 异质结高出一个 数量级。 2 较高的工作温度 o a n 禁带宽，在相当大的温度范围内能够精确地控制自由载流子浓度，适合高 温工作。有文献报道g a n 基h f e t 在约1 0 0 0 k 的高温下仍然保持良好的直流特。 3 较高的工作偏压 f e t 作为功率器件，要求漏极高偏置，以获得高的r f 品质因子。因为g a n 饱 和电子漂移速率较高，在较高的漏偏置下，器件仍能保持较好的性能。 肖特基整流器件【6 7 - 7 0 同s i c 器件相比，g a n 基肖特基整流器件具有较高的开关速度和保持电压， 据报道已经研制出反向击穿电压( v 南) 达到3 5 0 - - 4 5 0 v 的简单肖特基整流器，台 面型和平面型的g a n 基肖特基二极管整流器件的反向击穿电压分别达到5 5 0 v 和 2 k v , 其室温下的开态电阻r o n 分别为6 m q 和0 8 6 m f l 。 1 5g a n 材料中的杂质和缺陷 g a n 材料异质外延的特点，导致g a n 材料中存在大量的晶体缺陷，缺陷的存 在必然影响晶体的质量和材料及器件电学性能的提高，同时由于m o c v d 技术中 使用的有机气体源必然使外延材料中引入杂质元素，因此针对g a n 中的杂质和缺 陷进行理论和实验研究，将具有十分重要的理论和实用意义。 1 5 1g a n 材料中的杂质 1 4 第一章绪论 旌主杂质： 族兀素的o 、s e 替位n 原子，可作为施主杂质，通过离子注入法注入o 离子可获得n 型掺杂，o 施主的电离能约为2 9 m e v 7 ，用硒化氢做掺杂剂，可以 获得s e 掺杂的n 型o a n 。掺入s i 、g e 替位g a 原子，可作为单施主，s i 施主杂 质，其电离能约为2 9 m e v t 7 2 1 。 受主杂质： 使用i i 族元素m g 、c a 替代g a 原子，可形成受主杂质【7 3 7 4 1 。m g 的受主电 离能约为o 1 7e v ，在m o c v d 外延生长中使用二茂镁( c p 2 m g ) 作为掺杂剂即可实 现p 型掺杂，然而在实际生产过程中，使用m g 掺杂制备p 型o a n 材料，却遇到 了技术上的困难，其原因是：由于m g 引入的受主能级较深，致使室温电离的m g 受主较少，同时由于g a n 中大量缺陷的存在，引起非故意掺杂的g a n 材料一般 是n 型的，因此同m g 引入的受主产生补偿。另一方面，生长过程中m g 与h 原 子结合，形成电中性的络合物，也可以导致m g 的电活性钝化。因此，要形成有 效的p 型掺杂，在提高m g 掺杂浓度的同时，必须采用一定的后处理方式，降低 m g h 络合物浓度。1 9 8 9 年，a m s 1 1 0 等人使用m g 掺杂和m o c v d 生长g a n 材 料，然后再用低能电子束照射，获得了第一个p 型g a n 材料。随后1 9 9 2 年， n a k a m u r a 等使用氮气气氛下7 0 0 。c 热退火，也有效地去除了h 元素，实现了真正 的p 型掺杂。 两性杂质： 大部分元素在六方相g a n 中既可以成为施主杂质，又可以成为受主杂质，以 族元素c 为例，它在o a n 材料中既可以代替阳离子成为施主，又可以替代阴 离子成为受主。因此在o a n 中，c g a 为施主，c n 为受主，但c 倾向于占据n 位， 因此c n 略多于c 6 a f 7 5 1 。 1 5 2o a n 材料中的缺陷 点缺陷： 在g a n 晶体结构中可能存在n 原子的空缺，或o a 原子的空缺，形成v 空 位或者v g a 空位；也有可能存在n 原子位置被原子占据或者g a 原子位置被n 原 子占据，从而形成n c , - a 或g a s 反位缺陷，同时这些原位缺陷本身又可以与杂质元 素之间形成络合物，构成复合缺陷。上述点缺陷均可在o a n 禁带中引入能级，影 1 5 氮化镓中持续光电导相关的深能级缺陷研究 响g a n 的电学性能和光学性能。在非故意掺杂n 型g a n 光致发光谱中观察到的 能量位2 2 2 3 e v 的发光带( 黄光带) ，被普遍认为起源于v g 。空位，它是深受主 态，v g a 空位的存在将影响光电器件的效率【7 6 7 8 1 。 表1 3 ：g a n 中的位错类型 类型柏氏矢量线方向 扩展缺陷： 由于g a n 材料异质外延的特点，使得g a n 材料不可避免的存在大量的扩展 缺陷，如位错，反相畴，堆垛层错【7 9 】。 在g a b 薄膜中存在有四种位错，即刃型线位错、螺旋型线位错、混合位错、 6 0 0 棱位错。它们的位错类型、柏氏矢量和线方向如表1 3 所示。 g a n 薄膜中大多位错是平行于c 轴的 0 0 0 1 线方向，因此被称为线位错 ( t h r e a d i n gd i s l o c a t i o n ，t d ) ，在( 0 0 0 1 ) 面上生长g a n ，很容易形成线位错， 因为位错不能在晶体内停止延伸而不形成另一个缺陷，这些位错就会从底部一直 生长到顶部。另外，混合位错最低能的线方向相对于c 轴偏1 5 6 0 【8 0 j 。 反相畴： 具有不同极性的相邻的区域称为反相畴。在蓝宝石上生长g a n 时，反相畴主 要是在形核层开始形成的，它们可以扩展到薄膜的表面，界面是( 1 0 10 ) 面，它是 靠晶体反型区的平移形成的，根据平移的情况，存在多种结构。 因为g a n 的极性控制对器件的性能非常重要，应该避免反相畴发生，比如， 在a i x g a 卜x n 结构的二维电子气中的反相畴会严重影响导电沟道的电阻。 扭转晶界和倾侧晶界： 由于g a b 外延衬底一般选择蓝宝石材料，因此用外延方法制备的g a n 外延 薄膜具有六方对称性。一般而言，g a n 外延膜可看作由一系列取向一致的六角状 1 6 第一章绪论 单晶拼接而成，如图1 1 l 所示，我们称之为马赛克结构。研究表明扭转晶界和倾 侧晶界的存在可能造成在该小角晶界附近电荷富集，从而影响g a n 材料的电学性 能【8 5 】。 图1 1 1 ：g a n 外延薄膜中的扭转晶界和倾侧晶界 1 66 a n 中的深能级缺陷 1 6 1 深能级缺陷的特点 按照杂质缺陷能级在能隙中的位置、微扰势和杂质态波函数的特点来区分， 主要有浅能级和深能级两大类相对于浅能级杂质而言，深能级杂质( 缺陷) 的 特点是： 8 6 1 ( 1 ) 浅杂质能级一般离带边比较近，而深杂质能级则不定，大部分离带边 较远位于能级的中间部位，但也有少数的离带边较近例如，g a p ( n ) ，能级 在导带底下面3 5 m e v 处 ( 2 ) 浅能级杂质的微扰势是屏蔽库仑势，它是长程的，缓变的。而深能级 杂质的微扰势是短程的例如，由空位缺陷或者等电子杂质产生的微扰势，基 本上局域在缺陷或杂质原子附近，而它的绝对值又相对很大。 ( 3 ) 浅能级杂质态的波函数是类氢波函数，它在空间的扩展范围是有效玻 耳半径，为1 0i l m 左右。而理论计算表明，深能级波函数是相对局域的，只扩 展到缺陷或杂质周围几层原子上。通过傅氏变换，可以了解到凡是在实空间中 扩展的波函数在k 空间中分布范围是小的。而反过来，在实空间中局域的波函 1 7 氮化镓中持续光电导相关的深能级缺陷研究 数在k 空间中都是扩展的。 ( 4 ) 由于上述几个特点，对浅能级杂质，它的能级位置( 结合能) 主要由一 个带的有效质量决定，可以忽略其它带的贡献。而对深能级杂质由于它的波函 数在k 空间是扩展的，因此在计算它的能级位置时，不能忽略其他带的贡献， 也就是有效质量理论不再成立，必须寻找其他理论方法。理论计算表明，在确 定深能级杂质的能级对，通常要考虑包括导带、价带在内的若干带的贡献。 ( 5 ) 在实验上，可根据流体静压下杂质能级相对于能带边的变化来区分浅 能级杂质和深能级杂质。对浅能级杂质，由于它的能级位置由一个带决定，在 压力下，这个带边移动时，杂质能级跟随着这个带边移动，相对位移很小。而 深杂质能级位置由多个带共同决定，它相对于带边的移动则较大