下载文档原格式
InAlN-InGaN-(Al)GaN双异质结材料生长与特性研究InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结材料生长与特性研究随着半导体材料的发展，InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结材料因其在紫外光电子学和光电器件等领域的广泛应用而备受关注。
本文将对该材料的生长方法和特性进行研究，以期为其进一步应用和优化提供理论依据。
InGaN材料是一种重要的III-V族宽禁带半导体材料。
其高电子迁移率、宽的光谱范围以及优异的发光性能使其成为实现紫外到绿色光发射的关键材料。
然而，InGaN材料在高铝成分下容易出现晶体缺陷和蠕变现象，限制了其在高功率光电器件中的应用。
为了克服这些问题，InAlN材料被引入进行缓冲层生长，提高了InGaN材料的结晶质量和光学性能。
同时，在InGaN层之上再引入AlGaN和GaN层，形成InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结材料，进一步改善了材料的性能。
本研究采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术进行材料生长。
首先，在蓝宝石衬底上生长一层InAlN缓冲层。
该缓冲层的厚度、铝成分和生长条件等参数对后续InGaN层的质量起着重要影响。
随后，在InAlN缓冲层上生长InGaN层，利用不同的生长条件和材料组分调节其光学和电学性质。
最后，在InGaN层之上生长AlGaN和GaN层作为上电极和保护层。
通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等表征技术对生长样品进行分析。
结果表明，采用合适的生长条件，InAlN/InGaN/(Al)GaN双异质结材料能够获得较好的结晶质量和界面特征。
XRD分析表明，样品具有明显的衍射峰，且峰位和强度符合理论计算结果。
SEM观察发现，材料的表面平整且无明显缺陷，结晶质量良好。
此外，本研究还对材料的光学和电学性质进行了研究。
光致发光（PL）光谱表明，在不同的生长条件下，样品能够发射出不同波长的光。
通过调节生长条件和材料组分，可以获得具有不同发光颜色和发光强度的样品。
GaN光致发光谱与穿透位错特性氮化镓（GaN）是宽禁带直接带隙半导体材料,具有优良的光学和电学性质,在蓝绿到紫外波段的光电子器件和高功率微波器件等领域有着广泛的应用前景。
在GaN基光电子器件中，材料中的缺陷和杂质所产生的深能级发光会降低带间辐射复合跃迁的发光效率。
在众多有关GaN薄膜光致发光（PL）特性研究的报道中,不同的样品所测的光致发光谱不尽相同,特别是对GaN半导体材料深能级发光的起源，不同文献的解释存在争议。
因此，进一步研究GaN的光致发光谱是必要的。
本文采用四种不同光源作为激发光源，实验研究了金属有机物汽相外延方法（MOVPE在蓝宝石衬底上生长的GaN的光致发光光谱特性。
结果发现采用氙灯光源和He-Cd激光器两种连续光作为激发光源时,PL谱中均出现较宽的黄带发光，其中心波长位于550nm 附近。
而采用YAG激光器和He-Cd激光器两种脉冲光作激发光源时,PL谱中主要出现中心波长位于约365nm的带边发光峰，而未出现黄带发光。
结果表明蓝宝石衬底上MOVP生长GaN薄膜的PL谱中黄带发光特性与激发光源性质有关。
这对于进一步研究深能级的起源有一定的参考价值。
GaN的深能级发光特别是黄带发光与材料的本生位错缺陷直接相关。
GaN通常在蓝宝石衬底上异质外延生长，然而蓝宝石异质外延衬底与GaN之间存在较大的晶格失配,导致GaN外延层中的位错缺陷密度高达108-1010cm-2。
延伸到GaN表面的穿透位错（TDs）会形成非辐射复合中心和光散射中心，降低光电子器件发光效率。
有文献报道只有纯螺型TDs和混合型TDs才是非辐射复合中心，也有报道部分纯刃型TDs对非平衡少数载流子有一定的非辐射复合作用。
总之，人们对穿透位错类型与非辐射复合中心的对应关系尚无统一的认识。
因此，研究GaN的穿透位错特性将有助于揭示其深能级发光机理。
本论文采用原子力显微镜（AF M）同位观测方法,对MOCV生长GaN样品标记区域进行表面形貌测试,统计得到每个位错坑的半径和深度在腐蚀前和2次腐蚀后的变化，并根据位错坑的初始位置，结构和腐蚀速率判定各位错对应的类型。
非极性a 面GaN 材料外延的成核过程及选区生长分析杨琳（厦门大学嘉庚学院，福建漳州363105）摘要：为解决以往侧向外延生长、侧壁横向外延生长等方法存在的缺陷问题，文章借鉴前人研究成果提出一种选用钛图形化r 面蓝宝石衬底直接外延GaN 的生长方法，先在衬底表面制备一层钛掩膜，再在孔洞内选择性外延GaN ，由此改善GaN 表面与晶体的质量，降低各向异性，并且成功制备出高质量、平整的a 面GaN 薄膜。
通过观察SEM 、RSMs 与Raman 测试结果可知，该方法能够有效减小合并厚度、降低工艺成本，具备良好适用价值。
关键词：非极性GaN ；r 面蓝宝石；成核过程；各向异性作者简介：杨琳（1987-），女，福建漳州人，主要研究方向：建筑节能减排，建筑环境与设备，无机非金属材料生长工艺与应用。
Metallurgy and materials1材料与过程1.1材料与方法选用二氧化硅图形化的蓝宝石衬底进行GaN 的直接外延，相较于其他方法将薄膜生长过程省略,将二氧化硅厚度设为150nm ,图形周期为10μm ,最终制备出厚度为10μm 的平整GaN 薄膜。
X 射线衍射仪测试结果表明,面内摇摆曲线半峰宽沿c 轴、m 轴的最低值分别为597arcsec 和457arcsec ,但合并厚度仍较大。
为实现工艺质量优化，文章提出一种在钛图形化衬底上外延生长非极性a 面GaN 薄膜的工艺技术，通过选取钛做图形，可充分利用钛金属层在热耗散、紫外反射率、电流注入等层面的性能优势，增强工艺可扩展性与可操作性，降低成本消耗，有效提高a 面GaN 晶体质量、改善各向异性问题。
1.2实验过程（1）钛孔阵图形制备在r 面蓝宝石衬底上进行钛图形化处理，主要需完成以下五个操作步骤：一是沉积钛膜，选取规格为2inch 的蓝宝石衬底，利用电子束蒸发镀膜机以0.1A /s 的镀率在衬底表面蒸镀一层5nm 厚的钛金属薄膜，降低薄膜粗糙度，并为后续腐蚀工艺控制预留充足条件。
高Al组份AlGaN-GaN半导体材料的生长方法研究高Al组份AlGaN/GaN半导体材料的生长方法研究摘要：高Al组份AlGaN/GaN半导体材料是一种重要的宽禁带半导体材料，其研究对于高功率高频电子器件的开发和应用具有重大意义。
本文综述了高Al组份AlGaN/GaN半导体材料的生长方法，包括分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术，并讨论了各生长方法的优劣势及其对材料性能的影响。
1. 引言高Al组份AlGaN/GaN半导体材料由铝镓氮化物(AlGaN)和氮化镓(GaN)组成，具有宽带隙、高热稳定性和高电子迁移率等优良特性，被广泛应用于高功率高频电子器件，如功率放大器、高电子迁移率晶体管(HEMT)等。
2. 生长方法2.1 分子束外延(MBE)分子束外延是一种通过在真空环境中利用分子束的热解、反应来生长材料的方法。
在高Al组份AlGaN/GaN材料的生长中，MBE技术可以实现高质量、均匀性好的薄膜生长。
通过控制材料的组成和外延温度等参数，可以调控材料的带隙、界面缺陷密度、载流子浓度等性能。
2.2 金属有机化学气相沉积(MOCVD)金属有机化学气相沉积是一种在化学反应中使用金属有机化合物作为材料源进行生长的方法。
MOCVD技术常用于生长AlGaN/GaN材料，具有生长速度快、控制能力强等优点。
通过选择合适的材料源和反应条件，可以实现高Al组份AlGaN/GaN材料的准确掺杂，而且能够在大面积基片上实现均匀生长。
3. 各生长方法比较3.1 结构和组分控制MBE技术具有分子束的直接轰击效应，可以在较高温度下实现高Al组份AlGaN薄膜的生长，对于梯度组分控制有较好的优势。
而MOCVD技术具有较高的化学反应活性，可以实现较高生长速度，但是对于高Al组份薄膜的生长存在一定的挑战。
3.2 性能和薄膜质量MBE生长的高Al组份AlGaN/GaN材料具有较低的表面缺陷密度和较高的结构品质，但是生长速度相对较慢。
InGaN材料特性InGaN 为第三代半导体材料，目前是人们研究的热点，它主要应用于光电器件和高温、高频、大功率器件［1］。
InN的禁带宽度为0.7eV［2］，这就意味着通过调节In x Ga1-x N三元合金的In组分，可使其禁带宽度从0.7eV(InN)到3.4eV(GaN)连续可调［3］，其对应的吸收光谱的波长从紫外部分(365nm)可以一直延伸到近红外部分(1770nm)，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，因此InGaN在太阳电池中的应用引起了人们密切的关注。
除了波长范围与太阳光谱匹配良好外，InGaN和常规的Si、GaAs等太阳电池材料相比，还有许多优点：第一，它是直接带隙材料，其吸收系数比Si、GaAs高一、两个数量级，这就意味着InGaN太阳电池可以做的更薄、更轻，从而节约成本，特别是应用于航天的太阳电池，减轻重量非常重要；第二，InN和GaN 的电子迁移率都较高，有利于减小复合，而提高太阳电池的短路电流；第三，InGaN的抗辐射能力比Si、GaAs等太阳电池材料强，更适合应用于强辐射环境［4］。
实验证明，GaAs/Ge太阳电池在2×1012MeV/g的质子轰击后，其最大功率降低了90%，而InGaN在高能粒子轰击后，光学、电学特性的退化不明显［5］。
第四，In x Ga1-x N特别适合制作多结串联太阳电池。
由于调节In组分可连续改变In x Ga1-x N的带隙宽度，因此在同一生长设备中，通过改变In组分就可生长成多结In x Ga1-x N太阳电池结构，比目前用几种不同的半导体材料制备多结太阳电池方便了许多［4］。
并且由于In 组分连续可调，能够达到设计的理想禁带宽度组合，而易获得更高的转换效率。
但是，由于高In组分的高质量InGaN薄膜的生长技术还有许多难点，目前尚未见到国内外成功制备InGaN太阳电池的文献报道。
本文通过阅读相关文献，对InGaN的生长方法、材料特性和性能表征做一总结。
aln与gan晶格常数-回复AlN (氮化铝) 和GaN (氮化镓) 是两种重要的半导体材料，具有广泛的应用领域。
在研究和开发过程中，对于晶格常数的了解至关重要。
晶格常数是描述晶体内原子排列的参数，可以提供关于材料物理性质的重要信息。
本文将基于这两种材料，逐步解释和探讨AlN和GaN的晶格常数。
首先，我们将介绍AlN和GaN的基本特性和结构。
AlN 和GaN 模拟二维材料都具有六边形的晶格结构，称为六角晶格。
这种晶格由两个互相平行，但方向不同的轴构成。
相邻原子之间的距离和晶格结构对材料的性质有着重要的影响。
接下来，我们将探讨如何确定AlN和GaN的晶格常数。
实验方法是确定晶格常数的常用工具之一。
可以使用X射线衍射技术，通过测量材料衍射图样的位置和强度来获得晶格常数的值。
X射线衍射技术是在实验室或大型设施中进行的一种非常常见的技术。
通过使用该技术，我们可以准确测量AlN和GaN的晶格常数，并将其与理论值进行比较。
在理论计算方面，可以使用第一性原理计算方法，如密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)等，通过研究材料的电子结构和原子间相互作用来预测晶格常数。
DFT是一种先进的计算方法，已被广泛应用于材料科学研究中。
通过这种理论方法，我们可以得到准确的晶格常数的预测值。
对于AlN和GaN这样的复杂材料，实验结果和理论计算结果通常会有一定的偏差。
这是由于实验条件和理论模型的限制所导致的。
因此，为了获得更准确的结果，可以将实验结果和理论计算结果进行比较，以确定最符合实际情况的晶格常数。
需要注意的是，晶格常数有时会随着温度的变化而发生变化。
因此，对于温度敏感的材料，例如AlN和GaN，需要在不同温度下进行测量和计算，并考虑温度对晶格常数的影响。
在AlN和GaN的研究和应用中，晶格常数不仅与材料的结构和性质相关，还与工艺过程和器件性能密切相关。
由于晶格常数影响了材料的机械性能、界面强度和光电性能等重要特性，因此对于这些材料的实际应用而言，晶格常数的准确测量和理论预测是至关重要的。
不同种类蓝宝石衬底上AlGaN-GaN异质结构的外延生长及特性研究近年来，GaN（氮化镓）材料因其在光电器件领域中的广泛应用，引起了科学家们的极大关注。
GaN材料具有优异的物理性能，包括宽禁带宽度、高热稳定性、高饱和电子迁移率等特点，因此被广泛用于高功率、高频率和高温电子器件中。
然而，GaN材料的外延生长工艺一直是研究者关注的重点之一。
外延生长是将一种材料沉积在另一种晶体衬底上，以形成具有特定晶体结构和性能的材料薄膜。
在GaN材料的外延生长中，选择合适的衬底对薄膜质量具有重要影响。
本文首先简要介绍了GaN材料及其在光电器件中的应用。
然后，介绍了蓝宝石衬底作为常用的外延衬底之一，以及其在GaN材料外延生长中所面临的问题。
由于蓝宝石衬底晶格参数与GaN材料的不匹配，导致了晶格缺陷的产生。
这些缺陷会显著影响GaN材料的光学、电学和热学性能。
针对这个问题，科学家们开始研究其他材料衬底，以寻找更好的替代品。
在这些研究中，AlGaN/GaN异质结构引起了广泛关注。
这种结构是通过在GaN材料上生长一层AlGaN 来实现的。
AlGaN/GaN异质结构可以抑制晶格缺陷的形成，提升材料质量。
实验中，研究人员利用金属有机化学气相外延（MOCVD）技术在不同种类的蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN异质结构。
然后，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等表征手段，对外延薄膜的形貌和结晶质量进行了分析。
实验结果表明，在不同种类的蓝宝石衬底上，成功生长了高质量的AlGaN/GaN异质结构。
准均匀的薄膜表面和良好的结晶性能表明，选择适当的外延衬底对于提升GaN材料质量具有重要作用。
此外，通过使用适当的外延条件，可以进一步改善异质结构的质量。
除了形貌和结晶性能的研究，研究人员还对不同衬底生长的AlGaN/GaN异质结构进行了电学性能表征。
通过测量薄膜的电阻率和载流子浓度等参数，可以评估材料的电学性能。
实验结果表明，选用不同种类的蓝宝石衬底对AlGaN/GaN异质结构的电学性能有一定影响。
基于自支撑GaN衬底上垂直结构AlGaN/GaN CAVET MOCVD外延生长及器件性能研究近年来,Ⅲ-Ⅴ族GaN材料及AlGaN/GaN异质结由于临界击穿场强高、热传导性好、电子饱和迁移率快和电子面密度高等优点在高频、高压和大功率器件的应用使其得到国内外广泛关注。
然而,水平结构AlGaN/GaNHEMT目前面临着电流崩塌、增强型、封装兼容性、可靠性以及高耐压等问题阻碍其应用和进一步发展。
垂直结构AlGaN/GaN CAVET(Current Aperture Vertical Electron Transistor)结合了水平结构AlGaN/GaN HEMT高浓度二维电子气和垂直结构GaN基MOSFET 高击穿电压等优势开始获得关注。
器件工作时电流从源极沿着二维电子气沟道到达栅极,利用高阻GaN或p-GaN作为电流阻挡层使电子只能通过高电导率的导通通孔到达GaN衬底上漏电极,控制栅极电压释放和耗尽沟道中的电子,实现器件的开启与关断。
基于A1离子注入形成高阻GaN、Mg掺杂或者Mg离子注入形成p-GaN作为电流阻挡层的垂直结构AlGaN/GaN CAVET在调节导通通孔电导率、抑制二次外延生长界面污染、修复离子注入导致晶格损伤、消除Mg记忆效应、解决N面GaN欧姆接触和DC-RF电流崩塌等问题上进行深入研究。
本论文从软件Silvaco Altas和TRIM模拟、MOCVD外延生长和器件工艺制作以及电学性能表征等对存在的问题展开讨论,研究内容如下:1.提出了 MOCVD外延GaN成核层时载气由H2切换为N2引入刃位错,结合外延GaN漂移区时降低生长温度和Ⅴ/Ⅲ比引入非故意C掺杂降低背景载流子浓度,获得方块电阻RSH为106Ω/□的高阻GaN。
进而优化势垒层AlGaN的Al组分和厚度、AlN插入层和GaN盖帽层外延AlGaN/GaN HEMT全结构,Hall测试结果为:方块电阻RSH=332.9 Ω/□,迁移率μ=1920 cm2/V·s,载流子浓度Ns为9.7×1012cm-2。
