AlInGaN半導(dǎo)體薄膜MOVPE生長(zhǎng)和光電特性研究.pdf

1、Al x Iny Ga1-x-y N四元化合物半導(dǎo)體材料，通過(guò)調(diào)節(jié)Al和In的組分不但可以實(shí)現(xiàn)禁帶寬度和晶格常數(shù)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，還可以與GaN緩沖層的熱外延系數(shù)相匹配，更兼具AlxGa1-xN材料的禁帶寬度大和InxGa1-xN材料對(duì)位錯(cuò)不敏感，發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而使 AlxInyGa1-x-yN半導(dǎo)體薄膜成為高效發(fā)光二極管的研究熱點(diǎn)并廣泛受到關(guān)注。本文主要針對(duì)AlxInyGa1-x-yN四元化合物半導(dǎo)體材料研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，利用MOVPE

2、技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)金屬Al束流和生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)禁帶寬度大，高晶體質(zhì)量的AlxInyGa1-x-yN四元化合物，并通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)參數(shù)成功制備了與GaN緩沖層晶格匹配的Al x Iny Ga1-x-y N材料，在此基礎(chǔ)上對(duì)AlxInyGa1-x-yN四元化合物的相分離、發(fā)光機(jī)制、電-聲子耦合進(jìn)行了研究，制備了Al x Iny Ga1-x-y N基MSM紫外探測(cè)器。本論文的具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　在c軸藍(lán)寶石襯底上利用MOVPE設(shè)備，通過(guò)調(diào)節(jié)金

3、屬Al束流生長(zhǎng)了不同禁帶寬度的高質(zhì)量的AlxInyGa1-x-yN四元化合物半導(dǎo)體，并且在只調(diào)節(jié)金屬Al束流的情況下，成功生長(zhǎng)了與GaN緩沖層晶格匹配的Al x Iny Ga1-x-y N。通過(guò)光學(xué)、電學(xué)等一系列表征手段研究了金屬Al束流對(duì)AlxInyGa1-x-yN四元化合物薄膜光電性質(zhì)的影響。內(nèi)量子效率測(cè)試結(jié)果表明，AlxInyGa1-x-yN四元化合物的內(nèi)量子效率高于In組分近似的In x Ga1-x N的內(nèi)量子效率，也高于GaN

4、緩沖層的內(nèi)量子效率。
　　在調(diào)節(jié)金屬Al束流生長(zhǎng)AlxInyGa1-x-yN的基礎(chǔ)上，將生長(zhǎng)溫度從850oC下降到830 oC，生長(zhǎng)了AlxInyGa1-x-yN四元化合物半導(dǎo)體。通過(guò)光學(xué)、電學(xué)等一系列表征手段研究了生長(zhǎng)溫度對(duì)AlxInyGa1-x-yN四元化合物薄膜光電性質(zhì)的影響。降低生長(zhǎng)溫度后，樣品的帶邊發(fā)光峰強(qiáng)度明顯提高，但是材料的晶體質(zhì)量下降并且表面粗糙度上升，這是由于Al原子的遷移率低、表面粘附系數(shù)高，較低的生長(zhǎng)溫度使其

5、不能到達(dá)晶格中適當(dāng)位置而在表面形成島狀生長(zhǎng)。
　　對(duì)生長(zhǎng)的不同Al組分的AlxInyGa1-x-yN四元化合物材料的相分離進(jìn)行了研究。在一定組分下，Al在Al x Iny Ga1-x-y N四元化合物中起到相分離“催化劑”的作用，在 Al組分低于14％時(shí)，材料中沒(méi)有發(fā)生明顯的相分離現(xiàn)象，在 Al為18%時(shí)相分離現(xiàn)象明顯，XRD測(cè)試表明材料中存在富In區(qū)和富Al區(qū)。
　　對(duì)所生長(zhǎng)的不同Al組分的AlxInyGa1-x-yN四元

6、化合物材料的發(fā)光機(jī)制進(jìn)行了研究，并分析了Al原子的注入對(duì)發(fā)光機(jī)制的影響。光致發(fā)光譜測(cè)試結(jié)果表明：在一定組分下，我們所生長(zhǎng)的AlxInyGa1-x-yN四元化合物的發(fā)光強(qiáng)度隨禁帶寬度的增大而增強(qiáng)，即我們獲得了禁帶寬度大，發(fā)光強(qiáng)度高的AlxInyGa1-x-yN四元化合物材料。變溫發(fā)光譜表明 AlxInyGa1-x-yN四元化合物帶邊發(fā)光峰位隨溫度變化呈現(xiàn)“S”型，說(shuō)明樣品中存在載流子局域機(jī)制。結(jié)合相分離分析表明：由于AlN、InN晶格常數(shù)

7、和鍵能差距很大，在Al x Iny Ga1-x-y N中只有在Al或In組分很小的時(shí)候材料中才存在固熔區(qū)。一定組分下，AlxInyGa1-x-yN四元化合物材料隨 Al組分的升高，材料中組分不均勻，相分離的趨勢(shì)增強(qiáng)。由此形成富 In的In納米簇，并造成材料能帶變化，在勢(shì)能最低處形成局域能級(jí)，局域能級(jí)將激子束縛住，從而避免了位錯(cuò)等非輻射中心的捕獲，并且提高相鄰激子波函數(shù)的重疊幾率，激子波函數(shù)重疊幾率的提高意味著輻射復(fù)合幾率的提高，因此材料

8、對(duì)于位錯(cuò)不敏感，在禁帶寬度增大，位錯(cuò)密度提高后，材料仍有很高的發(fā)光強(qiáng)度。拉曼測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了以上結(jié)論，拉曼散射譜中存在In納米簇聲子峰，并且In納米簇的聲子峰強(qiáng)度隨Al組分的升高而增強(qiáng)。
　　對(duì)所生長(zhǎng)的AlxInyGa1-x-yN四元化合物材料中電-聲子之間相互作用進(jìn)行了研究，并對(duì)所生長(zhǎng)的InxGa1-xN和AlxInyGa1-x-yN材料聲子發(fā)光峰的黃昆方程進(jìn)行了計(jì)算，分別求出了In0.03 Ga0.97 N和Al0.15 In0

9、.03 Ga0.82 N的黃昆因子。計(jì)算結(jié)果表明：Al0.15 In0.03 Ga0.82 N的黃昆因子大于相同In組分In0.03 Ga0.97 N的黃昆因子，并且這兩種材料的黃昆因子也都大于非摻GaN體材料的黃昆因子。這種情況說(shuō)明，GaN，InxGa1-xN， AlxInyGa1-x-yN三種材料中，隨材料體內(nèi)無(wú)序程度的加劇，除了受激載流子的局域作用加強(qiáng)之外，聲子的局域振動(dòng)也加強(qiáng)，這將導(dǎo)致電-聲子之間的作用逐漸加強(qiáng)，這種現(xiàn)象體現(xiàn)在光

10、致發(fā)光譜中主要是發(fā)光峰向短波長(zhǎng)方向擴(kuò)展（聲子伴線的出現(xiàn)），以及0級(jí)聲子峰和聲子伴線發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。
　　在 Al0.40 In0.02 Ga0.58 N外延膜上通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝，制備了Al0.40In0.02Ga0.58N金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器。并對(duì)探測(cè)器的暗電流和光譜響應(yīng)特性進(jìn)行了深入分析。I-V測(cè)量表明器件展現(xiàn)明顯的肖特基二極管特性，勢(shì)壘高度為0.98 eV。在10 V偏壓下探測(cè)器的截止波長(zhǎng)為310 nm峰值