非極性AlGaN材料生長(zhǎng)及探測(cè)器制備技術(shù)研究.pdf

1、AlGaN材料在室溫下的禁帶寬度范圍為3.4～6.2 eV，它可用于制備紫外發(fā)光器件和紫外探測(cè)器。紫外探測(cè)器具有重要的應(yīng)用價(jià)值，如保密通信、導(dǎo)彈預(yù)警、生化檢測(cè)、火焰監(jiān)測(cè)、電力設(shè)備監(jiān)測(cè)、紫外環(huán)境監(jiān)測(cè)、紫外光譜學(xué)和紫外天文學(xué)。就結(jié)構(gòu)而言，紫外探測(cè)器包括p-n結(jié)二極管、p-i-n結(jié)二極管、肖特基勢(shì)壘二極管和金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)紫外探測(cè)器。由于MSM紫外探測(cè)器的制備工藝簡(jiǎn)單且可與場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)兼容，因此這種探測(cè)器引起了人們的極大關(guān)注。

2、非極性a面AlGaN材料在生長(zhǎng)方向上不存在極化電場(chǎng)且晶面內(nèi)具有光學(xué)偏振的各向異性，這提高了材料的輻射復(fù)合效率和光學(xué)偏振敏感度。因此，非極性a面AlGaN材料可用于制備紫外偏振敏感探測(cè)器(UV-PSPDs)。UV-PSPDs可應(yīng)用于固態(tài)光源、光學(xué)存儲(chǔ)、生物光子學(xué)、偏振光探測(cè)和窄帶光探測(cè)等領(lǐng)域。本論文利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相外延(MOCVD)技術(shù)分別在極性c面和半極性r面藍(lán)寶石襯底上成功制備了極性c面AlGaN外延層、非極性a面GaN和A

3、lGaN外延層。為了提高非極性a面GaN和AlGaN外延層的晶體質(zhì)量，本論文系統(tǒng)地優(yōu)化了外延層生長(zhǎng)的工藝參數(shù)。而且，本論文分別詳細(xì)地研究了Si摻雜和Mg摻雜對(duì)非極性a面GaN外延層、極性c面和非極性a面AlGaN外延層的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的影響。本論文還分別定量地分析了極性c面AlN和AlGaN外延層的表面性質(zhì)。另外，本論文初步研究了MSM結(jié)構(gòu)的GaN基UV-PSPD。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的具體研究成果如下:
　　1.分別

4、利用低溫GaN和低溫AlN成核層在半極性(1(1)02)r面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了非極性(11(2)0)a面GaN外延層。采用優(yōu)化的Ⅴ/Ⅲ比、TMGa流量和反應(yīng)室壓力顯著地改善了非極性(11(2)0)a面GaN外延層的表面形貌和晶體質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，AlGaN插入層，特別是Al組分漸變的AlGaN插入層有助于改善非極性(11(2)0)a面GaN外延層的表面形貌、晶體質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)的各向異性。隨著SiH4流量的升高，Si雜質(zhì)的離化率將增大，導(dǎo)致

5、Si摻雜非極性(11(2)0)a面GaN外延層在室溫下的電子濃度增大。而較高的Si摻雜濃度有利于形成VGa，這將增強(qiáng)Si摻雜非極性(11(2)0)a面GaN外延層的黃帶發(fā)光。此外，Mg摻雜將引起非極性(11(2)0)a面GaN外延層缺陷的增多，從而導(dǎo)致外延層的表面形貌劣化。雖然Mg摻雜幾乎不影響非極性(11(2)0)a面GaN外延層沿c方向的晶體質(zhì)量，但將降低外延層沿m方向的晶體質(zhì)量，并增強(qiáng)外延層晶體結(jié)構(gòu)的各向異性。
　　2.分別

6、利用低溫AlN成核層和高溫AlN緩沖層技術(shù)在半極性(1(1)02)r面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了非極性(11(2)0)a面AlGaN外延層。對(duì)于非極性(11(2)0)a面AlGaN外延層，提升高溫AlN緩沖層的Ⅴ/Ⅲ比和減小AlGaN緩沖層的厚度可有效地改善外延層的表面形貌。由于AlGaN插入層可有效地抑制生長(zhǎng)高溫AlN緩沖層時(shí)所產(chǎn)生的位錯(cuò)密度，因此AlGaN插入層，特別是Al組分漸變AlGaN插入層可明顯地改善非極性(11(2)0)a面AlG

7、aN外延層的晶體質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)的各向異性。然而研究也發(fā)現(xiàn)，非極性(11(2)0)a面AlGaN外延層的晶體質(zhì)量和表面形貌并不是正相關(guān)的。
　　3.分別詳細(xì)地研究了Si摻雜對(duì)極性(0001)c面和非極性(11(2)0)a面AlGaN外延層結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的影響。非極性(11(2)0)a面AlGaN外延層比極性(0001)c面AlGaN外延層具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)各向異性，因此Si摻雜更有利于釋放非極性(11(2)0)a面AlGaN外延層

8、的殘余壓應(yīng)力。Si摻雜有助于提高極性(0001)c面和非極性(11(2)0)a面AlGaN外延層的晶體質(zhì)量，這是由于Si摻雜增加了材料中位錯(cuò)相互作用和消失的機(jī)會(huì)。由于隨著SiH4流量從0增加到40 sccm，AlGaN材料中因Si摻雜產(chǎn)生的類受主增多，并補(bǔ)償了材料中的本征缺陷，因此極性(0001)c面和非極性(11(2)0)a面AlGaN外延層的藍(lán)帶發(fā)光將增強(qiáng)。另外，插入AlN緩沖層和Al組分漸變AlGaN層將顯著地改善Mg摻雜極性(0

9、001)c面AlGaN材料的表面形貌、晶體質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)。
　　4.利用角度分辨X射線光電子能譜技術(shù)分別定量地研究了極性(0001)c面AlN和AlGaN外延層的表面性質(zhì)。暴露于空氣中的極性(0001)c面AlN和AlGaN外延層的表面被氧化為Al和Ga的氧化物，而且暴露于空氣中的具有較高Al組分的極性(0001)c面AlGaN外延層的表面存在更多的Al-O鍵，這是由于Al和O原子之間存在較大的化學(xué)親和勢(shì)。由于極性(0001)c面

10、AlN外延層中的部分N原子被O原子取代，因此AlN外延層中存在N缺陷。隨著Al組分的增大，極性(0001)c面AlGaN外延層的Ga俄歇效應(yīng)被顯著地抑制。Al原子比Ga原子更容易被氧化且具有更低的表面遷移率，因此，較高Al組分的極性(0001)c面AlGaN外延層比對(duì)應(yīng)的低Al組分外延層的Al組分分布更不均勻。
　　5.利用MOCVD技術(shù)在極性(0001)c面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了極性(0001)c面Al0.28Ga0.72N/Al0

11、.45Ga0.55N多量子阱，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征和分析。研究結(jié)果表明，極性(0001)c面Al0.28Ga0.72N/Al0.45Ga0.55N多量子阱在室溫的內(nèi)量子效率為18％。設(shè)計(jì)了AlInGaN多量子阱吸收區(qū)和倍增區(qū)分離的GaN基紫外探測(cè)器，這既可以提高探測(cè)器的量子效率和響應(yīng)度，并自由調(diào)諧其截止波長(zhǎng)，又能有效地降低其擊穿電壓閾值。利用MOCVD技術(shù)在半極性(1(1)02)r面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的非極性(11(2)0)a面