蓝宝石上高电子迁移率 AlGaN与GaN结构材料的研究

1、李建飞 蓝宝石上高电子迁移率 AlGaN/GaN材料的研究 目录 2. 样品介绍样品介绍 4. 实验结果与分析 3. 实验内容实验内容 1. 霍尔测试霍尔测试 可测试材料： 半导体、金属、超导体；薄膜和块状材料；单晶和多 晶；单载流子和多载流子。 应用: 测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、霍尔系数等 重要参数。 通过测量活动载流子的密度来检查掺杂效力。 检查诸如：CVD和MBE的半导体生长系统的纯度。 控制半导体生产中的质量。 1、霍尔效应 将一块半导体或导体材料，沿Z方向加 以磁场B，沿X方向通以工作电流I，则在Y 方向产生出电动势VH，如下图所示，这现 象称为霍尔效应。 VH称为霍尔电压

2、。 实验表明，在磁场不太强时，电位差与电 流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度 d成反比，即 d IB RV HH H R 称为霍尔系数霍尔系数 洛仑兹力与电场作用力达到平衡时，我们能够得到洛仑兹力与电场作用力达到平衡时，我们能够得到 VBbVH 若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片 横截面的电流 I=nebdV nebd I V IBK d IB RIB ned V HHH 1 所以 ne RH 1 称为霍尔系数霍尔系数 ned K H 1 称为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度 根据电位可以知道半导体的类型，是n型还 是p型 如果霍尔元件的灵敏度已知，测得了控制 电流和产生的霍尔电压，

3、则可测定霍尔元 件所在处的磁感应强度。 高斯计就是利用霍尔效应来测定磁感应强 度B值的仪器。 H H V B IK 载流子浓度。因RH=1/ne（或1/pe），故可 以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的 载流子浓度n（或p）（n和p分别为电子浓 度和空穴浓度）。 IB dV R H H 结合电导率的测量，求载流子的迁移率u 电导率与载流子浓度及迁移率之间有如 下关系 由 可得 。 ne ne 1 H R |u H R 样品信息 Mg 的GaN 外延层,以及 AlN,AlGaN外延层 , 生长温度 在 1000 1200之间,生长 压力控制在500030000Pa 之间 。 镁掺杂量分别为0 0

4、.1 0.15mol/min 样品信息 生长了A,B,C,D,E五个HEMT 样品 我们只是改变AlN 的厚度d, d 从分别为0 0.69 1.15 1.38 1.61 nm 实验内容实验内容 对于生长的Mg掺杂GaN材料和AlGaN/GaN 异质结材料 , 分别利用X射线双晶衍射、PL光谱、 汞探针C-V和范德堡Hall进行了测试分析 。 实验结果与分析 本征GaN的黄光峰位于 573 nm,蓝光峰位置在441nm,而 本征峰在362nm。 随着Mg掺杂的增加 , 黄光峰 的峰位下降。 随着Mg掺杂的增加 , 蓝光峰 的峰位上升。 382nm的峰增强。 Mg 掺杂对 G aN 缓冲层 P

5、L 光谱的影响 实验结果与分析 Mg 掺杂对 G aN 缓冲层 P L 光谱的影响 黄光峰主要来源于GaN缓冲层中的Ga空位 , 蓝 光峰来源于N空位。 当缓冲层中引入Mg杂质时,Mg原子替代Ga空位。 电子从导带下 N 空位的替位 Mg 原子的能级到 价带上Ga空位的替位 Mg 原子的能级的跃迁引 起。 是由于电子从 Mg 间隙原子能级到价带的跃迁 引起。 实验结果与分析（其他文献） Mg 掺杂对 G aN 缓冲层 P L 光谱的影响 蓝带（424nm）是由独立 的受主（MgGa）和离导带底 430meV的深施主能级复合所 产生的，其中深施主能级是指 受主MgGa和临近的氮空位VN或 其它杂

6、质能级通过补偿形成的 相应的复合体MgGaVN.氮空 位VN是MOVPE生长过程中高 氮气平衡蒸气压下产生的缺陷， 在1000C左右的生长温度下VN 浓度很大。 实验结果与分析 Mg 掺杂对 G aN 缓冲层晶体质量的影响 随着Mg 掺杂的提高,非对称的 (102) 摇摆曲线半宽变宽,GaN峰的半宽从 非掺杂的300增加到 380,穿透位错密 度增加。 对称的(002) 摇摆曲线GaN峰的半宽 从非掺杂的261增加到330秒, 螺旋位 错和混合位错密度也增加 , 晶体质量 明显变差。 Hall测试中随着Mg掺杂量的增加,晶 体逐渐呈现高阻特性。 实验结果与分析 Mg 掺杂对 G aN 缓冲层

7、P L 光谱的影响 因为在Mg掺杂的过程中, 大部分Mg原子是以间隙 原子的形式存在于晶体中, 由于 Mg 比Ga的原子半 径大 , 在 Mg 替代Ga以后会引起压应力,另外也由于 间隙Mg原子的增加 , 从而会引入更多的缺陷和位错 , 加剧了GaN缓冲层的无序化程度。 由于缺陷的增加 , 使得 G aN 缓冲层的电子陷阱密 度增加 , 因而缓冲层的自由电子数减少,导致GaN缓 冲层的电阻率提高 。 实验结果与分析 AlN插入层对HEMT结构材料的影响 没有AlN插入层的HEMT结构的 2DEG浓度较低 ,NS的乘积 较小。 当AlN厚度为 1.15 nm 时 , C 样品的N S 的乘积达到

8、最大 值 21381016/Vs。 当AlN的厚度进一步增加时 , NS的乘积随着减小 。 实验结果与分析 AlN插入层对HEMT结构材料的影响 由于AlN层的插入,导带失调增加,电子穿透AlN层进 入Al0.3Ga0.7N 层的几率减小 , 界面处合金无序散射减小 , 增加了迁移率 , 同时也使得 2DEG 增加。因而对于一定 厚度的AlN,NS增加 。 随着 AlN 厚度的进一步增加，界面的悬挂键增加 , 使得异质结界面的缺陷增加 , 电子被捕获的几率增加 , 因而 E 样品的NS的乘积反而减小。 实验结果与分析 HEMT结构材料质量表征 GaN衍射峰半高宽FWHM为 242.3 弧秒,AlGaN组分0.30 , 厚度 约 20 nm , 组分比设计略高。从图 中可以看到厚度干涉射峰明显 ,表 明生长的HEMT 结构材料界面陡峭 , 晶体质量良好。 实验结果与分析 Mg 掺杂对 G aN 缓冲层 P L 光谱的影响 该材料漏电很小 , 夹断特性好 , 夹断电压约为 - 513V , 可以证明 该材料 G aN 缓冲层质量很好 。 实验结果与分析 Mg 掺杂对 G aN 缓冲层 P L 光谱的影响 室温Hall测试结果为:方块电阻 RS = 260.3/sq , 2DEG载流子面密度NS =1.211013/ cm2,迁移率=