（材料物理与化学专业论文）静电对硅衬底gan基led老化寿命特性的分析与研究.pdf

ab s l r 解t 八 b s t ra c t r e ently， g r 0 w thofg a non sis u b s t r a t e b asm ad e greatp r o g i e ssand itis 代 p o rted t h atg an b ased 】 u m i nesc e nce d e v i ces 0 n s i s ubs t r a t e h a v e bee n fa b ri c ated byso m e groups . 长七 砌d y o n p r o perti eso f g a nb as e d l i g h t . emi tt in g di o d e s( l e d ) on s i s u b s t ra t ei s far fromp r o fo u n d ， inspi teo f 代 l i abi l ityo f g an b as e db l u e o r w h i teledo ns a p p h i reo r s i cs u b s t ra i e h a db e en 1 a r g e l yinve stig at e db ym any re se ar c b e rsb y fa r， ana 】y s isand s t u d y onant i 一 le c t r o s t a t l c di sc b 盯 g e abili tyasweu asre l i abi l i tyo f g a nb as edled s on s i s ubs t r a t e ， w hi c h are n ew p r o d u ct s ， h asn o t 悦 即re port e d ， yet. inthis di s s e n at i 叽 e x 伴 n m e ntofel ec l r o 劝 a l i o di sc b a r g e (es d) 即d degr adationong an b ased l e d s onsis u b s t r a t e w a s s tu d 1 ed， some si 如fi c a n t 朋d l n n o v a t i vere s u h s 朗 hi e v e d isasfo n o w in g: 1、 怡 r i at i o nof c 比 川 双 t e ri sticp a “ 双 n e t ers ， el ec trol umi nesc e n c e 伍l) a n dpeak w a v e l en吵 诫thcurrenton g 司 n 户 v e rt i c all e d s on sis u b s t r a l e were邝 p o rt e d ， 1115 fo und th att h e peak、 甲 a v cl ength exi stsa p h e n o m e n o n ofr e d . s hi ffingatt h e beg inand b l 岭如n i 吧 fo l l o w i n g诫thc u rr e n 仁w hi cha tt r ib u t e s tocom 讲t i t i o nmec h anis m 悦t w e e n b and . fi tt in g e ffect助d h e at i n g e ffectinl n g 目 n acti vel a y e r 2 . d e gr 翻 比 l onc h ar a c te ri s t i c s o f g a nb 鸽 edl e d s o n d i ffer e n t s u b s 。 习 t e s 认 吧 r eo b t a i n e dfrom ac ce le r a t i n ga gj n gex讲d m e n t俪th hi gh c u n n t .b y d e g r a d at i on- c oeffic ie nt-fi tt i n gande x t r a pe1 ati。 氏t h ecal c u latedli fe-t i m eo f g an b asedl e d s o ns i s u b ， tr at e fa b ri c ated by our l a bon 吐 o ryandon a 1 2 0 3 s u b s t r a t e i s 1 .8 4 x l o 4 anu 2 3 时加 urs， re 卿ct iv e l 丫 lt c an加se enth a t g a n b ased 悦 uel e d s o n s i s u b s t r a tedsvel o ped byour 1 a bora 1 o ryh a v e n oto n l y l o n g e r calc ul a 1 e dl i 介 一 m e b u t al sohi ghre li abili tyand 比tt e r o hj n i c c 0 n t a c t s p r 0 pert i est b ang an b as edl e d ona 】 2 0 3 s u b s t ra l e ， w h i c h s h o w s g an b ased led s onsis ubs t r a t e h a v e enc o ur a g ng pot e n t ial i tyina p p 】 i catin 几 3e fl 七 c tsofe s don h fe t ime ofg a nb a se dl e d s on sis u b st ra t e enc apsu1 a t ed 诫thb d45 7 . t y pe一 c hi psand o n sa p p hi res u b s t n 戏 e w er e i nve stig a t e d . t 七 e li fe t i mc o f g a nl e d s ons i l e n 1 p l ate i s 2 2 .6 ， 2 1 .7 ， 2 2 .z and l s . 3 t h o usan d bo明 c 。 “ e s pondin g to l 0 0 ， 5 0 0 ， l 0 0() vo1 t a g ewith and硒thout e s dst r o ki ng， re s pec ti vel y.a bov e ab s 打 s c t o ut c o m e s in d i c ate t h atg an b as ed l e d s o ns i s ubs 1 r a t e h a v egoo danti 一 e s d俪th beari雌hi ghe s d . s t ro ki n g abi l i ty，al thou ghth ere exi stsl 雌e d i s m a l c hi 明o f l atti c e c o n s ta n t and heate x p ansi o n coe ffic i e n t between g 翻 n epi l a x i all a y erand s i s ubs t 份 t e w h i chm aybringo u t dsfici e n c y h a v i ngyet no0 b v i o usi n fl uenc e onthe re ll abil ityof g a nb as e d d e v i ces. t 七 l s wo r k 、 v a s by then at i o nal8 6 3 nan o m e te rp r oj ec t 伽o. 2003a a 3 021 60) 朋del ectron r 卜 石 n 祠 允n d of i n form a t i o nin k 叮wo川: s i s u b s tr a t e s ; g a n ; l e d ; e s d ; l i fe 一 i m e s ; b and 币“ 访 g e ffec t ; c 别 rr i er s c r e e ni n g e ffec t lli 学位论 文独创性 声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其 他 人已 经 发 表 或 撰 写过 的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 通 遏 达 当 全 扁 或 其 他教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ ( 手 写 ，: 压 “ ，斧 签 字 日 期 : ， ” 了 年 了 ” ， 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者完 全了 解 j 盏 遏达堂 有关 保 留、 使 用 学 位 论文 的 规定 ， 有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅 和 借 阅。 本 人 授 权 亘虽么堂可以 将 学 位 论 文的 全 部 或部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名( 手 写 ， : .fe.乙示 叉 ，苛 导 ，币签 、 、手 写 ):翅 不 是 签 字 日 期 : “ 叫年犷 月 “ 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址 : 签 字 日 期 : 乞 必7 年 “ 犷 月 “日 电话 : 邮编 第 1 章 引言 第一章 引言 1 . 1前言 g a n材料的研究与应用是目 前全球半导体研究的前沿与热点，是研制微电 子器件、光电子器件的新型半导体材料。并与 si c 、金刚石等半导体材料一起 被誉为继第一代 g e 、51半导体材料、第二代g 氏 a s 、i np 化合物半导体之后的 第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、高的热导率、化学稳定性好、抗腐 蚀性强和抗辐照能力强等特性，因此，在光电子、高温大功率器件和高频微波 器件应用方面有着广阔的前景。g an 材料系列是一种理想的短波长发光器件材 料，g a n及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围.自 从 19 91 年，日 本日亚公司首先研制出了g an 基蓝色发光二极管 ( l e d ) 后， 在世界范围内 掀 起了 研究g a n的热潮。尽管19 95 年c 冶 n器件才实现产业化，但19 97年其市 场销售额就达到了1 .43亿美元。据统计，g a n器件的市场年增长率高达44%。 近年来，除 nic hi a公司以外， hp 、 c ree 等公司相继推出了各自 的高 亮度蓝光 l e d产品。 高亮度l e d的市场从1 9 9 8 年3 ， 8 6 亿美元跃升为2 0 0 4 年的1 2 亿美 元。高亮度led的应用主要包括汽车照明、 交通信号和室外路标、 平板全色显 示、高密度d v存储、蓝绿光对潜通信等。 然而，商品化的g an 基l e d都是以 蓝宝石 ( a12 o 3 ) 或碳化硅 (sic) 为 衬底制备的。硅 ( 51)材料具有晶体质量高、导电导热性好等优良 物理性能， 而且具有晶体尺寸大、成本低、容易加工等优良的综合经济性能，在51衬底上 制备高性能g a n外延材料一直是业界梦寐以求的事情。但是，由于51衬底与 g an 外延层之间存在着巨大的晶格失配和热失配， 导致在51衬底上生长的g an 外延层会产生大量的位错和裂纹，使得51衬底g an 发光器件的研制面临巨大 困 难。 近几年来，在51衬底上生长g an 的 研究取得了很大进步，已 有几家研 究组报道在51衬底上制备出g a n发光 器 件 【 1 川 。 本工 程中 心于2004年研制成 功 硅衬底蓝、 绿光l e d外延材料及器件，并率先达到实用化水平141 . 第 1 章 引言 1 . zg an 材料与发光器件的发展 g an 材料最 早由jo hnso n 等 113 1 人于1 9 2 8 年用n h 3 和金属ga 合成的g an 粉末。此后几十年又有人陆续合成g 咖，并对其晶体结构、晶格常数和光谱进 行了 研 究 114 一， 51 。 g an单 晶 材 料 最 早由p 田 正 o ve的 两 个 助 手m a ru k a 和五 etj en用 氢化物气相外延方法 ( h v p e ) 在蓝宝石衬底上生长的 16。但由 于蓝宝石衬底 与g an 之间巨大的晶格失配和热失配， g a n外延膜通常处于高 应力状态下， 这 会使g an 外延膜严重龟裂。 随后 他们对g a n材料进行掺杂与 光学性能的 研究， 并制备出 第一支m ls结构的蓝色发光l e oll7- lsl 。 他们的成功激起了 人们对g an 材料研究的极大兴趣，但由于当时生长技术的限制，制备的材料质量很差 ( 高 的n 型背景载流子浓度) ， 没能实现g an 的p 型化， 阻挡了g an 器件化的进程， 大家逐渐对g an 失去了兴趣。 在上世纪八十年代只有极少数的研究组还在对它 进行研究。 上世纪八 十 年代末，由 于a k a s aki艺 ， 8 的努力， c a n的 研究取得了 突 破性的 进展。他意识到c a n的p型化与g an 的质量有很大的关系，要降低n型背景 载流子浓度， 以及得到无龟裂的 表面。 为了克 服蓝宝石衬底与c a n之间的晶格 失配， 他发明了 低温缓冲层技术， 在5 00 左右在蓝宝石衬底上沉积一层约30nln 厚的a !n缓冲层， 使生长在蓝宝石衬底上g a n单晶质量大大提高， 表面无龟裂， 背景载流子浓度下降， 载流子迁移率提高， 发光性能也大大改善。 a 匆 ” akl l 卜 常 成功的获得了p型 g a n材料， 这重新引起了人们对 p型c 扭 n研究的兴趣。 八 上 韶 aki 和为 l l ano 用m o v p e方 法 对g an 进行 掺m g ， 并用 低能电 子束 辐照 ( l e e bi) ， 实 现了p 型电 导 。 接 着a m a n o 制 备出 世 界 上 第 一 支6 a n基p n 结 l e dllg 。 接着，日 亚 公司的n ak alnura改 用g a n作 缓冲层， 他获 得了 如 镜面的 表面 和更 优 越的电 学 性能 181 ， 并 制备出了 他的 第一支g an 蓝色l e d 【201。 接下 来， n ak amura 在氮 化物 研究 领域 一路 丰收， 1 9 92年， 在n z 气氛下对 掺m g 的g an 外延 膜 进 行 退火 处 理， 获 得了 很 好的p 型g a n材 料 121 。同 年 又 在g an 单晶 膜 上生 长 出 高 质 量的in g an即 .23 1 。 19 93年制 作出 亮度 超 过10 。 。 m c d ， 以in g 创 n 为 有源层的双异质结的蓝色l e d s 。 到2001年，日 亚公司的蓝色led s 输出功率 超过6 m w ( 1 卜2 0 m a) ，亮度超过3cd 。1995 年， n akamu r a 通过控制i n g an 中 的in组份， 获得了发光波长从500 n l l l 到590 川 叮的蓝绿， 纯绿和黄绿l e d s ， 其 中绿光led s 亮度达 1 2 cd。利用蓝色发光芯片涂覆黄色荧光粉技术，得到了白 第 1 章 引言 光l e o s l2 4 。 2 0 0 2 年， l 切 叮 1 1 e d s 宣 布其获 得ts wl z o 恤的白 光光 源。 2 0 0 5 年 c ree 公司宣布其白光l e d s 达到74 l ln / w。 g an 因其为宽禁带半导体，在制作短波长器件方面有广泛的应用。在发展 蓝色发光器件的同时，大家对紫色和近紫外 g an 基发光器件进行了大量的研 究。 1 9 93年， n akamura 用掺51的in g an 用作有源层， 制作出 双异结紫色发光 二极管， 发光波长为4 25nln，量子效率为0 . 15 % 。1 9 95年， 他用in g a n / 月g a n 双异质结， 把紫色发光二极管的 量子效率提高 到9. 2 % ，光 功率达5 .6m w。 除日 亚 外， 还有 很 多 研究 组 对u vl eds 进 行了 研 究。 1 9 97年， philips公 司 的r m .m ensz l2 5 报道了3 8 5 nm 和4 1 2 nm 的u vl e o ， 光 功率为1 5 m w。 用 6 h 一 si c衬底制备的u vl e d s 也表现了良 好的光电 性能， 2 0 01年， c re e 的si c 衬底u vl e d s 商品光功率为1 2 m w， 而根据最近的报道， 其u vl e d功率己达 zlm w。s and 通的j. h an则用月g a n / g a n多量子阱结构制造出3 53.6 . 叮的u v led i26。 h. hi 卿ama 在6 h 一 si c 衬 底 上 用川 0llg ao 溯/a 10 24 俩， 浏多 量 子 阱 结 构制备出了 一 种更 短波长的 紫外发 光二极管， 发 光波长为3 30 inniz 刀 。 氮化物的研究之所以吸引全世界众多单位的关注，一个重要的原因是在于 它们能够用于制造蓝光甚至更短波长的半导体激光器。 所以自 从蓝光l e d研制 成功后，许多公司和研究组都投入大量的资金进行 c 司 n基半导体激光器的研 究。 1995年， n akalnura率先研制出 第一支电注入in g an 多量子阱紫色激光器。 19 98 年，日 亚的紫色激光器室温工作寿命超过 10万小时， 达到商业化水平. 2 0 00 年，他们又研制出4 5 0 11 11 1 的蓝色激光器。 2 0 01 年6月，日 亚宣布他们开 始量产3 0rnw的紫光l d ， 这将取代现有的红光l d作为下一代d v d光盘的光 源.1 9 99年， f ujit su紫色激光 器室 温l m w工 作寿 命 达57小时. 2 0 00年3 月 sony的紫色激光器s m w工作寿命超过1 0 00小时. 1 . 3g an 的晶体结构 g 创 目 及其化合物可能具有的结构有六方对称性的纤锌矿结构、 n acl 结构和 立方对称的闪锌矿结构。 c a n及其化合物晶体的稳定结构是具有六方对称性的 纤锌矿结构， 基本参数见表1 1 。 纤锌矿结构是由 六角单胞组成， 因而具有两个 晶格常数a 和c ，如图1 . 1 所示。每个单胞由两套沿c 轴方向错位 ( 3 /8c) 的六 角 密 堆 积( h c p ) 的 子晶 格 构 成， 每 个子晶 格由 一 种 原 子 组 成 脚 一 29 ， 即ga和n 第 1 章 引言 双原 子 面沿 0 0 01 方向 交替 堆垛 而成， 如图1 2 所示。 闪 锌 矿结构由 立方单 胞 构 成，单胞中的原子位置与金刚石晶体结构相似， 这两种结构的单胞都是由沿体 1 0 翻 】 1 1 图 1 . ig an 纤锌矿结 图 1 .2g an 纤锌矿型原子密排方 对角线方向 错位 1 /4 体对角线距离的两个面心立方子晶格镶嵌而成，如图 1 .3 所 示 ， 它们的 密 排面是 ( 1 11 ) 面 ， 每 个密排面由ga和n双原 子 面构成， 如图1 .4 所 示。 闪锌矿结构与纤锌矿结构相似， 在这两种结构中， 每个m族原子连接四个 n原子，同样，每个n原子与 四个i h族原子相连接。这两种结构的最大不同 是原子层的堆积顺序不同。 对 闪 锌 矿 结 构 ， 沿 l n 方向 原 子 堆 积顶 为 : 山浏求喃n 日 g 大 呱 天 城 浏从城剥白 g 欠 nc 对 纤锌矿 结 构， 沿【 ( 以 】 1 方向 原子 堆稠顶 序 为: 以剥a 伽浏b gaan人 g 阳 n 薛抓n ag匆 n 日 n a c l 结构 是 氮 化 物 在高 压 下的 存 在相 1301 ， c 瓦 n 从 纤 锌 矿结 构 转 变 n acl 结 构 临| . weg， 口 一n 图1 . 3 g an 闪 锌矿结构图1 .4 g an 闪锌矿型原子密排方式 第 1 章 引言 的 压 力 约 为 50 6 p a 口 1 ， ai n 的 食 盐 相 被 预 言 在 12g p a 32l或 23gpals 3i 时 出 现 ， 并 被u eno 等人观察到。 纤 锌 矿结 构的 g an生 长 方向 一 般在 。 0 0 1 基面， 在 那里 原 子 被 排 列 在由 两 个 很接近的六角形层构成的 双层内，一层由 阳离子占 据，另一层由 阴离子构成， 因此双层具有两个极性面。极性面只是体效应的结果，和最外层是什么原子并 无关系。 这样g a n 的基面可能由 ga占据， 也可能由 n 占 据。 ga极性原子面通常光 亮如镜， 相反， n 极性面却很粗糙。 这是由 于不同的极性面具有不同的 化学特性。 这种不同的化学特性还使它们具有不同的表面重构，甚至影响它们的掺杂，发 光等行为。 表1 1 3 00kg an的 基本 参数1 1 1 0 纤锌矿结构闪锌矿结构 c 翻 司 p 6 3 mc 8 .9 x l 022 几沐4 3 m 8 9 % 1 0 22 6006.159.7”0.131.3 600615”5.350.201.4 自，.且 .- 04 月j6.1 ;. 004 对称群 i c m 3 中的原子数 德拜温度服 密 度 / ( 乡 c m-3) 静态的介电常数 高频的介电常数 有效电子质量 ( mo为单位) 重空穴 轻空穴 能带带劈裂 电子亲和势/e v 晶格常数角m a=0 一 31 8 90 一 4 5 2 c二0 . 51 8 6 内jf石 : 7门 光学光子能量/me v 带隙触 v 导带有效态密度/c m 刁 91 . 2 3 一 3 9 2 3 x l o l b1 2 x l o l s 第 1 章 引言 价 带 有 效 态 密 度 /c m- 3 击 穿 电 场 /( v c m 一 b 电 子 迁 移 率 1 ( 。 澎甲丫 ， .5-1 ) 空 穴 迁 移 率 /( c m z 一丫 ， .51 ) 电 子 扩散 系 数 / ( c m z .v- ， .5 1 ) 空 穴 扩 散 系 数 / ( cmz .丫 气 岁 ) 电 子 热 速 度 / ( m s- l) 空 穴 热 速 度 / ( m 岁) 辐射复 合系翻 ( cm孔 砂) 体积模量护 a 熔点/ 比 热 容 /(j扩. k 协 热 导 率 /( w c 可 1 .k 一 1) 热 扩散系勿 ( cmz 一5-1) 线性热膨胀系数 邢1 4 . 6 x l o 9 一 5 x l 0 6 4 . l x l o l ， 巧x l 0 6 二1 0 0 0 2 0 0 2 5 5 2 .6 x l o ， 9 .4 x l 0 4 l 护 2 0 .4 x l o l o 2 5 洲 ) 0.49 1 . 3 0 . 4 3 艺 5 ， 5 9 x l r “ 亡 二 3 刀 xlr 三1 0 0 0 幼 5 0 3 2 k 1 0 ， 9 5 x l 04 1 . 4氮化物的性质 14 . 1电学性质 g 司 闪材料的电学特性是影响器件的主要因素。 由于不同研究组制备的c a n 的质量差别很大， 在文献中经常出现对其电学性质的不同报道。 随着g an 晶体 质量的不断提高，人们对g a n的认识不断得到修正和发展。 非故 意掺杂的c a n大都呈n 型， 且存在较高的n 型本底载流子浓度13 们 6 。 这曾 经是阻 碍g a n器件研究发展的重要原因。 随 着生长技术的发展，目 前 通过 m o c v d外延生长质量最好的g an 的 本底电 子浓度约为101 .lc时量 级左右13 飞 也 有 报 道 生 长 出 高 阻g an13sl 。 第 1 章 引言 通常认为 造成， 非故意掺 杂的g 司 冈 膜呈n 型 导电 的 原因 是 存 在高 浓度的 氮空 创书 “ 2 1 。 张国 义 等 刀431 用 热平 衡方 法估算理想g a n晶 体中 本 底载流子浓度与 本 征缺陷的关系，其结果表明， 用m o c v d法生长的c 司 n中， 珠浓度随生长 温 度上升而增大很缓慢，在 8 0 0 一 1 5 0 0 k 的生长温度范围内，v n浓度不超过 z x l o ， ， / c m 3 .他们认为，载流子浓度n z x l o 场 c m 3 时， vn是 载流子的 主要 来 源， n ) 2 、 1 01 7 /c m 3 时 ， 其 它 缺陷 是 本 底 载 流 子 浓度 的 主 要 来 源。 肠姐 1州 等 人的实验发现， 1 050 生长的g a n的净电子浓度低于7 75生长的g a n的值。 另 外， 也 有 人认 为， 高 的 本 底 载 流 子 浓 度是由 残留 杂 质。和51引 起的 娜 47 1， 并 对v n 理论 提出了 异议， 他们认为珠形 成能 很高 8 】 。 载流子迁移率是决定半导体器件工作特性的一个非常重要的基本特性参 数。 理 论 上， li ttl ej o hn等 人 计 算 了g an 的 低 场 室 温 迁 移 率 1州 。 他 们得 到， 当 g a n中 电 离 杂 质 浓度 为1 沪一 10 17 c m 刁 时 ， 其 迁移 率 将为10 0 一 13 00c 心阿，5 。 进一步的 计算 展示了g a n电 子 迁移率与 掺杂 浓度、 电 场 和温 度的 关系15 0 。 实 验 方面，材料的质量与所选择的衬底有很大的关系，若衬底与外延层的晶格常数 相差很大，为适应晶格失配就会形成许多扩展性缺陷，导致霍尔迁移率降低， 如高 温直 接生 长在 蓝宝 石上的g a n ， 其霍尔 迁移率只有1 乐 3 0c m 2 /v 5 151 1 。 在生 长g a n之前预沉积a i n缓冲层，大大提高了g a n的霍尔迁移率，其在室温时 达3 50 4 00 cm2 邝.s 152 一。 用g an作缓冲层， g a n的 迁移率进一步 提高。 n ak 田 旧 l l r a 等人【 川 采用m o c v d法生长的具有20nm 厚的缓冲层g a n ， 其室温霍尔迁移率 达到了oooc 澎厚.s ， 70k时的迁移率为3000c m z /v.s 。 从霍尔迁移率与缓冲层的 厚度关系可以得出:缓冲层的厚度为2 00埃时，迁移率最大;缓冲层厚度大于 或小于2 00埃时，迁移率都下降。 有文献 报道了电 子迁移率 和 其浓度的 关 系 155.5 6 。 结果 表明 :电 子迁 移率随 电子浓度的升高而下降，并且这种关系不受衬底种类和缓冲层厚度的影响。也 有 文 献 1切 报 道了 在电 子n 10， 7 c m-s 时， 则随电 子浓度上升而下降; 并认为是刃位错和离化杂质散射效 应造成的。在他们的模型中，刃位错俘获电子而呈负电性，因此散射电子。 1 . 4 . 2光学性质 人们关注m一 v族氮化物材料的 特性， 主要是因为它在蓝光、 绿光和紫光 第 1 章 引言 发光器件上有很好的应用前景。 很多科研工作者致力于m一v族氮化物光学性 能 方 面的 研 究。 m 田 刀 s k a 和下 etj en首 先 测出 了g an 的 直 接带 隙为3 .3 ge vl 58 。 接 着p a nk o v e 等 人 ， 】报 道了 低 温 (l6 k ) 下g an的 光 致发 光( p l ) 谱， 该 温 度 下 的 g an p l谱研究表明在3 .4 7 7ev处有很强的近带边发射。mo nem ar等人报道 了1 6 k下g an 的 禁带宽 度为3. 5 0 3e v 60 。 禁 带 宽 度与 温度之间的关 系己 有 许多 人进行了研究。 不同工作者都认为g a n能量带隙与温度之间的关系遵从如下公 式: 凡= 凡。 -a c t z t 一 to ( 1 . 1 ) 其 中e g 。 、 参数值。 表 1 .2 久和to为适当 的 参 数。 表1 .2 列出了 不同 科 研者所得到的 上 述 用 不同 技术得到的 带隙温度系 数、 与、 久和to的 值 样品类型 带隙温度系数 实 验 方 法d e 洲t( e v 服 ) 式 球 e 码久 (e v 服 ) to闪 棚700600772 光致发光 光致发光 光致发光 光吸收 t = 3 0 0 k 一 5 3 2 x l 0 闷 参考 文献 g a n /a1 2 0 3 g a n /a1 2 0 3 g 刊 n j a 1 2 0 3 g a n /a1 2 0 3 35 0 3 3 一 4 8 9 峨0 xl 丫 45 xl了 3 一 4 71 5 .0 8 x l 0 刁 7 . 3 2 x l 0 刁 一 7 .z x l 了 _ 9 3 x l r c a n的 低 温光 致发光 光谱中 经常出 现自 由 激 子峰 161 一， 束缚 激子峰 及其声 子伴线等带边结构。 此外还有处于低能带的施主受主对发光及其声子伴线，以 及一些与g a n中杂质或缺陷有关的非本征跃迁峰。如位于3 .4 3ev和2. 2ev的 发光峰 冈。 表1 .3 列出了 各 种 激子 的 位置 及其 束 缚能。 表1 3 g 翻 n 的自 由 激子和 束缚 激子 带 隙( e v )r x ( 。 v )r x 。 ( e v )f xc( e v ) ox( e v )oo x ( ev) e ( d o x ) ( me v) 文献 65666768 0nnn 6766 3 . 5 0 3 3 一 5 0 0 3 . 5 1 2 3 一 5 2 5 34 7 5 3.4 74 3 滋8 5 34 9 9 3 48 1 3 . 4 9 0 34 9 2 3 5 0 93 一 4 6 5 3.46 9 3，46 7 34 7 9 3 .月 9 3 第 1 章 引言 在g 刊 n 的 低 温p l 谱 中 ， 还 常 在3 4l ev附 近出 现 一 个 发 光 峰 165 一。 c h u n g 等人在对g a n进行氮掺杂的基础上观察到此峰， 他们把其归结为自由电子到束 缚态的 复 合【网 。 fi sc her 和s te u d e 等人在6 h 一 si c和a12 o3上 用气相外延生 长的 未故意掺杂的g an 中，观察到了3. 4 1 0ev峰，通过时间分辩pl 谱测试，得其 寿命为3 00一 80ps， 为一激子复合，而且认为3. 410e v峰与六角形g an 中束缚 在 结 构 缺陷 上 的 激 子 有 关 721 。 g 翻 n的室温光致发光峰通常只有带边峰和2. 2ev左右的黄带，有时也出现 2. g e v左右的蓝带。晶体质量较差的样品禁带中形成较多的 缺陷能级，其室温 光致发光谱的带边峰减弱， 黄带等非本征发光峰增强。 因而人们常用c a n的带 边峰与黄带强度之比来衡量晶体质量。 黄带在体单晶g an 及不同的方法生长的 g a n膜中都可能出 现。 研究表明， 预反 应对黄带影响很大1731. 许多人对黄带发 光 机 理 进 行了 研 究 ， 但 至 今 其 发 光 机 理 还 不 完 全 清 楚 。 0 91 加等 人 【间 和h 川 知 朋 。 等人175 1 认为黄带是一个浅施主到价带上0. ge v处 一深能级复合所产生的，同时 他 们 认 为 该 深 能 级 为 一v ga 和 碳 杂 质 的 络 合 物 。 k e nn e d y 等 人 【7 6.7 刀 认为 黄 带 是 一深 施主能 级 ( ec-0. se v ) 到一受主的跃 迁。 还有 许多 文 献ivs 一 1报道黄带是由 缺陷 诱导的 跃 迁产生的。 理论 计算179表明 黄带 发光中 心与v c a 和在e v+l e v的 氧施主有关， 因v o a 与它最近邻的伽 形成络合物， 该 络合物形成能较低， 这很 可能是产生黄带的主要原因。 s a rrinen 等用正电 子湮灭实验发现v ga浓度和黄带 强度有关， 他们认为v ga对n 型g an 的电 子补 偿有贡献， 它们的受主能级与黄 带有关。未掺杂c a n室温光致发光谱中有时也出现2. g ev 左右的发光峰。该峰 强度一般较弱，通常被称为蓝带。目前，对其发光机理的研究很少。有研究表 明，蓝带是自由电子跃迁至受主能级而产生的，该受主与g a n中的缺陷有关。 1 . sg an 材料的衬底选择 c 瓦 n材料由于缺少合适的体单晶衬底，只有采用异质外延技术，并且用异 质外 延材料 成 功地做 成了 器 件。 在 蓝宝 石衬 底上 制备出g a n p-n 结l e d之前， 大家都认为不管是什么样的半导体材料，要想获得高的发光效率，其位错密度 度一定要低， 至少 小 于l o 6 c m 在 。 使 研究人员 感 到吃 惊的 是， 虽然g 司 n材料的 位错密度高 达 1010cm 一 但该材料做成的l e d观察到了 很高 的 发光效 率。 显 然 6 a n材料中的位错并不会显著降低其光学和电 学性能。 第 1 章 引言 目前g a nl e d普遍使用的衬底材料是蓝宝石。衬底与g an 外延层之间存 在巨大的晶格失配和热失配， 用g a n做成激光器二极管或大面积、 大功率器件， 如此高的位错密度就会对此类器件非常有害。另外，虽然蓝宝石能进行多种加 工，但其固有的性质会影响到外延材料的性质。 c a n材料在异质外延时，其质量受衬底的影响很大。在选择衬底材料时， 一般认为晶格匹配是决定性因素。 科研工作者对大量的材料进行过g a n材料的 外延生长，包括绝缘的金属氧化物、金属、金属氮化物和其它的半导体材料。 其中部分衬底材料的晶体结构和晶 格常数列于表1 .4 。 实际上，除了晶格常数以 外，材料的晶体结构、表面完美性、组成、稳定 性、化学性能和电 学性能也是决定其是否能做衬底的重要因素，因为它们会严 重影响外延层的性能。g a n的晶体方向、极性、表面形貌、应力和缺陷浓度由 所采用的衬底决定。也就是衬底的性能会最终决定器件的性能。 衬底对m族氮化物的极性及极化作用的影响很重要。高质量的外延膜所需的化 学反应和条件与晶体的极性有关。在很多情况下，衬底决定外延材料晶体的极 性、 应力大小与种类 ( 张应力或压应力) ，以及极化效应的程度。 用不同的外延 生长技术，可以 对这些性能进行适当的调整，如用蓝宝石衬底，可以生长任一 极性的g a n膜。 然而不同的衬底材料决定后道工艺。至今为止，研究较多的还 是 能 生 长出 0 0 01 1 方向g a n的 衬 底， 因 为 这个方 向 生长 的g 司 n 较 容易 获 得 光 亮 的表面。 然而为消除极化效应， 科研者对其它方向g a n的研究越来越多。 极化 效应对某些光电器件是不利的，如发射光红移。另外，量子阱中的压电效应会 使电子和空穴产生空间分裂，从而降低复合几率。 表1 4用于g an 生长部分衬底材料特性 s p a c 七 洲p l a u i ce c o ”心 ” d 写 ( 附 ) abc semi c o n d 鱿怕招 w 6an z b-心an r 心 a n w. ain z b-ain 卜ai n wo rtz i 扭 zincblende r伙k阳卜 wu 川 比 ite z i ncb l e n d e roc ksa】 t p63 m c f4 3 脚 几月 3 脚 p63 m c f4 3 m 几” 3 m 0 一 31 9 8 5 0 一 4 51 1 04 2 2 0 . 31 1 06 0 . 4 3 9 0 . 4 0 4 0 . 5 1 8 5 0 心 4 9 7 95 0 32 06 5 第 1 章 引言 z n owu itz i te 刀一 i c3 c z b ) s i c4 h(w) s i c6 h ( w) b pz i n c b l e n d e ga a sz i ncb l e 们 d e o apz i 飞b l ende s idi a n l o n d o x id esand s “ i p hi d 。 a 1 2o3r h o m boh e d r a l mga1 2 认 m夕r ock salt l i g a 0 20 rt h ochomb i c r 一 l 认l q n d g ao30 rt h och o m bi c 阮a i m四刁 c 翻 l a z ( p o 刁 )6 仇a p 西忆 mo s z l 叭io3rho m boh ed阁 ( m n . z n ) f e z o4s p i nel me 恤15胡d me 切】 n i t r i d e s hfhcp p63 mc f4 3 m 0 32 4 96 0 .43 5 96 0一 3 0 7 3 1 . ix) 5 3 15 1 1 7 3 p63 mc f4 3 m f4 3 m f4 3 m 月才 3 m 03 0 8 06 0 一 4 5 3 8 0 ， 5 6 5 3 3 0 . 5 4 3 09 众5 4 3 1 0 r3 c 不 沙3 功 不 玩3 斑 p l l azi p 4 i z 1 2 而心1 r3 用 r3 n 】 r p63 mc r3 c 矛 衬3 m 0 一 4 7 6 51 . 2 9 8 2 0 一 8 0 8 3 0 . 4 2 1 0 一 5 4 0 20石3 72 0 一 5 1 6 9 0 . 5 4 2 8 0 一 3 2 3 6 0 . 9 4 4 6 0 一 5 4 8 9 0 . 5 0() 7 06 2 6 7 07 7 1 2 . 5 1 5 0 . 6 9 2 2 0 _ 5 3 6 41 3 1 0 . 9 5 hcp ro c k臼i t 0 一 3 1 8 0 一 31 吕 0 5 1 9 051 9 hcp r沉 k业i t 0 一 4 5 7 76 03 3 090 一 5 4 0 一 4 5 0 2 r伙k粗i t ro c ksal t p63 n c 玛 mc 声 初3 厉 p6 mc 声 孙 王 3 脚 卢 孙 忿 3 功 月” 3 m 0 一 4 3 8 9 0 42 41 zrzrnscscn洲侧 异质外延常见问题列于表1 .5中。 外延在异质衬底如蓝宝石和si c上的g 瓦 闪 失 配 位 错 和 线 性 位 错 密 度一 般 为10 一 l0 l0 c m 2 ， 而51的 同 质 外 延的 位 错 密 度 接 近于零， c 山 仙同 质外延的 密 度为10 2 一 1 少姗j 。 g an 中 其 它的晶 体 缺陷 还 包括 第 1 章 引言 反向畴晶界、堆垛层错。这些缺陷都是非辐射复合中心，会在带隙中引入能量 态和降低少数载流子的寿命。 杂质在线性位错的附近扩散比在体材料中更迅速， 导 致了 杂质的 不均匀分布， 因而降 低，结的陡峭性。 由于g a n高的压电 常数， 在线性位错周围的本征应力导致电势和电 微小的变化。这类缺陷一般不是均匀 分布，因此此类材料或由此类材料制成的器件的电学性能和光学性能也就不均 匀。 表1 .5 异 质 外 延g an常 遇 到的 问 题 1 明 衬 底性能结果 横向( 晶 格常数a) 失 配高失配位错 ( 主要是 刃位错)密度导致器件漏电流提高， 少数载流子寿命缩短，热导率f 降，并且 成为杂质迅速 扩散的途径 纵向 ( 晶 格常数a) 失配反向晶界，反向晶畴晶界 异构衬底的 表面台 阶孪晶 堆垛失配晶界) 热膨胀系数失配热失配在外延膜和衬底中产生应力， 从而在外延膜和衬 底中产生龟裂 低热导率散热变差 与 外延 膜不同的 化学成分外延膜受衬底元素的污染. 悬挂键产生电 子界面态， 外 延膜在衬底上的浸润作用差 非极性表面在外延 膜中产生混合极性，反向晶畴 缺陷会提高器件的阐值电压和反向漏电流，减少异质结场效应晶体管面载 流子浓度，降低载流子迁移率和热导率。这些不利效应将阻止理想性能的复杂 结构大面积大功率器件的制备。不管选择什么衬底，衬底的许多不足之处如晶 体质量及与g 成 n的结合性差等可以通过适当的表面处理得到改善，如氮化、 沉 积低温a in或g an 缓冲层、 插入多层低温缓冲层， 侧向外延， 悬空外延及其它 技术。 通过此类技术的使用，目 前已 获得位错密度低至10 ， c m-z 的c 凶 呵 膜。 1 . 51蓝宝石衬底 蓝宝石也就是单晶a 1 2 0 3 ， 是最早用作g an 外延的衬底材料， 也是g an 外 延使用最普遍的 衬底。 蓝宝石与g an 之间巨大的晶格失配( 1 5 %) 导 致c a n外 延 膜中高 达10 10 c m 它 的 位错 密度。 高的 缺陷密 度将降 低载流 子迁移率、 降 低少 数载流子寿命和降低热导率，所有这些都会降低器件性能。蓝宝石的热膨胀系 数比g 司 n的大，因此从生长温度降温时，在g a n外延中产生双轴压应力。对 第1 章 引言 1 . 5