（凝聚态物理专业论文）gan基led中极化效应的研究与应用.pdf

摘要 本论文结合科研项目，针对i i i v 族氮化物中存在的极化电场，自洽求解薛 定谔方程和泊松方程。提出了利用及消除极化电场的方法，为g a n 基l e d 工艺 优化提供理论基础，并通过实验降低p 型g a n 欧姆接触电阻，提高l e d 的内量 子效率。所做的研究工作主要分三个部分： 1 计算机模拟极化电场影响下，量子阱和超晶格中的一维薛定谔方程和柏松方 程的自洽求解。计算得到电子和空穴的各级本征函数和本征值，该方法可以 推广到求解任意势中的定态薛定谔方程。 2 根据极化电场使能带发生摆动，提高m g 杂质的离化率，增大空穴浓度，提 出利用i n g a n a i g a n 超晶格做g a n 基l e d 的p 型接触顶帽层，降低欧姆接 触电阻并充当电流扩展层作用。计算比较相同m g 掺杂条件下i n g a n a i g a n 、 a i g a n g a n 和i n g a n g a n 三种超晶格的能带结构、m g 受主电离情况和平均 空穴浓度。同时计算得到m g 掺杂浓度的最佳值，最后实验上实现了良好的 p 型欧姆接触。 3 根据g a n 基l e d 量子阱中存在的极化电场使电子空穴发生分离，从而降低 复合几率，提出了i n 组份调制的方法，抵消部分极化电场，从而提高复合几 率。最后通过变温p l 谱测量l e d 的内量子效率。 本文所提出的利用和消除g a n 基l e d 中的极化电场的方法，主要创新之处 在于利用i n g a n a 1 g a n 中更强的极化效应提高m g 杂质的电离率，以及b 组分 的渐变对极化电场的抵消，改善l e d 的能带结构。 关键词：极化效应：超晶格；内量子效率 4 a b s t r a c t b a s e do nt h ep o l a r i z a t i o ne f f e c ti ni i i vn i t r i d e ，w es o l v es e l f - c o n s i s t e n t l yt h e s c h r s d i n g e ra n dp o i s s o ne q u a t i o n b o t hu t i l i z a t i o na n d e l i m i n a t i o no ft h ep o l a r i z a t i o n f i e l da r ep r o p o s e d e x p e r i m e n t a l l y , s p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c et op - g a ni sr e d u c e d a n di n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c yo fl e di si m p r o v e d t h em a i nw o r kw eh a v ed o n e a r el i s t e da sf o l l o w s ， 1 s o l v i n gs e l f - c o n s i s t e n t l y t h es c h r 6 d i n g e ra n dp o i s s o ne q u a t i o nu n d e rt h e i n f l u e n c eo fp o l a r i z a t i o nf i e l d sv i ac o m p u t e rs i m u l a t i o n e i g e n f u n c t i o no ft h e e l e c t r o na n dh o l ea n dt h e i rc o r r e s p o n d i n ge i g e n v a l u e sa r ei n v e s t i g a t e d t h e s i m u l a t i o nc a l lb eg e n e r a l i z e dt os o l v et h et i m e - i n d e p e n d e n ts c h r o d i n g e r e q u a t i o n sw i t ha r b i t r a r yp o t e n t i a l s 2 a sp o l a r i z a t i o nf i e l dl e a dt oo s c i l l a t i o no ft h ev a l e n c eb a n de d g e s ，r e s u l ti n e n h a n c e m e n to fm gi o n i z a t i o na n d i m p r o v e m e n to f h o l ec o n c e n t r a t i o n ， i n g a n a i g a ns u p e r l a t t i c es t r a i n e d l a y e r s ( s l s ) i si n t r o d u c e di l l sac l a d d i n gl a y e r f o rg a nb a s e dl e d t h es l sc a nr e d u c es p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c ea n ds e r v e d a sac u r r e n ts p r e a d i n gl a y e r t h eb a n ds t r u c t u r e ，i o n i z a t i o no fm ga n da v e r a g e d h o l ec o n c e n t r a t i o no fi n g a n a i g a n ，i n g a n g a na n da i g a n g a ns l sa r e c o m p a r e da tt h es a m em gd o p i n gl e v e l t h eo p t i m a lm gd o p i n gl e v e li sa l s o g i v e n e x p e r i m e n t a l l y , l o w e rs p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c et op - g a ni sr e a l i z e d 3 t oo v e r c o m et h es e p a r a t i o no fe l e c t r o na n dh o l ed u et ot h ep o l a r i z a t i o nf i l e d ，i n c o m p o s i t i o n m o d u l a t e dl e di s p r o p o s e d i t c a nc o u n t e r a c t p a r to f t h e p o l a r i z a t i o na n di m p r o v et h er e c o m b i n er a t eo fe l e c t r o na n dh o l e t h ei q eo ft h e l e di sm e a s u r e db yv a r i a b l et e m p e r a t u r e sp l t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h eu t i l i z a t i o na n de l i m i n a t i o no ft h ep o l a r i z a t i o nf i e l d i ng a nb a s e dl e d ，t h em a i ni n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st h a tw eu s ei n g a n a i g a n s l st oo b t a i nr e l a t i v eh i g h e rh o l ec o n c e n t r a t i o n ，a n du s eg r a d u a lc h a n g e di n c o m p o s i t i o nt og e tt og e ta b e r e rb a n ds t r u c t u r ef o rl e d k e y w o r d s ：p o l a r i z a t i o ne f f e c t ；s u p e r l a t t i c e ；i n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y 5 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 军琴 泗7 “月歹日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 嚆嗽 鹳币 月 人、b 明 年 声7 k 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 半导体材料具有能量损耗低、发光效率高、元件体积小、使用寿命长等优点， 因此能在许多发光材料中脱颖而出成为最有前景的发光材料。i i i v 族氮化物材 料的发光波长覆盖广，被视为前景最广阔的半导体材料。通过近二十年的发展， i i i v 族氮化物材料已经逐渐应用于紫外探测裂1 】【2 】，可见光及紫外光发光二极管 ( l e d ) 【3 】【4 】【5 1 ，以及蓝光激光器( l d ) 掣6 嗣。g a n 基l e d 在户外显示，指示 灯，广告以及交通警示灯等方面都有广泛的应用；l d 则是目前实现超高密度存 储设备的关键元件。 c a l e n d a ry e a r 图1 1 各年份i n s p e c 上有关氮化物论文发表数量 第一章绪论 早期一直无法控制生长高质量的氮化物材料，导电性的控制问题也无法有效 地解决，氮化物器件的发展停滞了很长一段时间。直到1 9 8 6 年，g a n 晶体材料质 量才有了很大的提升，1 9 8 9 年a k a s a k i 利用低温电子束辐照较好的p 型g a n 【8 】，并 研制出了世界上第一个p n 结g a n 蓝紫光l e d ，并在1 9 9 0 年实现室温下紫外光的 激射。这些突破推动了高性能蓝光l e d 、可长时间工作的l d 和高传导氮化物器 件的发展。图l i 给出了科学文摘( i n s p e c ) 上各年份关于氮化物论文发表数量 和一系列的重要事件【9 】。图中标出了关于氮化物的每个突破，星型为材料生长方 面，圆型为电学相关性质方面，方型为器件方面。表l l 为氮化物电子器件发展 历程【l o 】【1 1 1 。 表1 1 氮化物电子器件的发展 y e a r a c c o m p l i s h m e n t s 1 9 6 9 g a nb vh v p e m 慧器删d 1 9 7 4 g a n b v m b e 19 8 3 a i nb u f f e r1 a v e rb vm b e 19 8 6 s p e c u l a rf i l m su s i n ga i nb u f f e r 19 8 9 p 。t y p em g d o p e dg a nb yl e e b i a n d g a n p ni u n c t i o nl e d 19 91 g a nb u f f e rl a y e rb vm o c v d 10 0 ， m g a c t i v a t i o nb yt h e r m a la n n e a l i n g 一 a i g a n g a nt w o d i m e n s i o n a le l e c t r o ng a s g a nm e s f e t l9 9 3a l g a n g a nh e m t t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no fp i e z o e l e c t r i ce f f e c ti na 1 g a n g a n i n g a n a i g a nd hb l u el e d s ( 1c d ) 19 9 4 m i c r o w a v eg a nm e s f e t 。 m i c r o w a v ei i f e t m i s f e t g a n s i ch b t h i g h - q u a l i t ya l x g a l x n 19 9 5a i g a n g a nh e m tb ym b e p ng a np h o t o v o l t a i cd e t e c t o r d o p e dc h a n n e la i g a n g a nh e m t 19 9 6 i o n i m p l a n t e dg a nj f e t 1s tb l u el a s e rd i o d e 2 第一帝绪论 1 9 9 7 q u a n t i f i c a t i o no f p i e z o e l e c t r i ce f f e c t a i g a n g a t h e m t o i l s i c 1 9 9 8 1s t a i g a n g a n h b t 1s tg a nm o s f e t 1 9 9 9 v i s i b l e b l i n d a l x g a l - x n p h o m d i o d e s u s e o fs u p e r l a t t i c c s f o r e n h a n c e d p - t y p e d o p i n g i n a l g a n 2 0 0 0 s h o r t e s t w a v e l e n g t h a i g a j “p b o t o d i o d ( 2 2 7 n m ) 2 0 0 22 8 0n m u v l e d 2 0 0 32 6 5n m u v l e d 2 0 0 4 ：未：l ：芦删酬删硼躺州曲删珧砌“旧眩 2 0 0 5b a c k - i l l u m i n a t e ds o l a r - b l i n d a i g a na v a l a n c h ep h o t o d i o d e s 2 0 0 7 b a c k - i l l u m i a a t e d i i m m o d e g a na v a l a n c h ep h o t o d i o d e s ! 塑! ! ! ! 兰坠j ! 翌翌! ! ! 型些里! 垡! 盘塑型 1 2i i i - v 族氮化物材料特性简介 t v 族氮化物主要是以铝铟镓氮( a i i n g a n ) 系列材料为主，包括g a n 、 a i n 、i n n 、a i i n n 、g a l n n 、a l l n n 和a i i n g a n 等。i n n 的能隙为07 8e v ，a l n 的能隙为62 5e v i ，其禁带宽度覆盖了红光到紫外光间的光谱，图1 2 为m o v 族氮化物材料的禁带宽度和晶格常数，其中i n n 的禁带宽度由原来的2 0e v 修 正到07 8 “。i i i - v 族氮化物都是直接带隙的材料，无论我们如何调整其组成的 成分和组分含量都不会造成发光效率的大幅降低。因而它适用于制作高效发光元 件，包括高效白光l e d 、蓝光d v d 、大型户外电视、液晶显示器的背光源等。 图l o 纤锌矿结构a i i g a n 系列材料的禁带宽度与晶格常数的关系 第一章绪论 六方对称的纤锌矿( w u r t z i t e ) 结构是g a n 、i n n 、a i n 及相关i i i v 族氮化物 的稳定结构，其中最简结构包含四个原子。如图1 3 所示，以g a n 为例，在纤锌 矿结构中，氮原子和镓原子分别处在彼此构成的四面体中。纤锌矿结构是由两套 六方密堆积结构沿c 轴方向平移5 c 8 套构而成，沿c 轴 0 0 0 1 】方向的堆垛顺序为 a a 幸b b 木a a 木b b 。除此之外，i i i v 族氮化物还具有亚稳相的闪锌矿 ( z i n c b l e n d e ) 结构，还有高压情况下才存在的岩盐矿结构。其中闪锌矿结构的 i i i v 族氮化物也是直接带隙材料，而且具有更好的p 型掺杂效率【l3 1 ，同时作为量 子阱发光材料时也具有更好的光增益系到m 】，但在高温时容易发生相变，阻碍 了材料的制备和器件的发展。因此，目前用于器件的g a n 材料都是纤锌矿结构的。 c a 图i - 3g a n 的六方晶系纤锌矿结构 表1 1 进一步给出了纤锌矿i i i v 族氮化物的一些基本参数。 o 表1 2 i v 族氮化物的材料的基本性质和重要参数1 1 2 i g ao rn no rg a iai = ibi 4 第一章绪论 1 3g a n 及其三元化合物的材料生长 虽然i i i v 族氮化物被称为是第三代半导体，但对其的研究开始于1 9 世纪7 0 年代。a i n 粉末的合成始于1 8 7 2 年，i n n 粉末则在1 9 1 0 年合成出来，j u z a 等人在1 9 3 8 年让氨气通过高温的嫁金属表面获得了少量的小针状g a n t ”】。1 9 5 9 年，g r i m m e i s s 等用同样的方法制备出小体积的g a n 晶体【1 6 】。1 9 8 5 年，a k s a k i 等人利用a i n i k 毛温 缓冲层在蓝宝石上首次生长出了高质量的g a n 单晶【17 1 。下面我们着重描述g a n 材 料的制备方法。 1 3 1g a n 材料衬底 由于氮在镓金属中的低溶解度和氮化镓中的高蒸汽压，g a n 的体单晶制备 非常困难，即使在高温、高压下获得的g a n 单晶尺寸也较小，未能满足工业生产 需求。现在较成熟的工艺是外延生长，由于缺少g a n 的体单晶，g a n 的生长般 为异质外延。异质外延时衬底材料对异质外延g a n 的晶体质量有很大的影响，进 一步决定器件的质量，因此衬底的选择至关重要。一般来说，评价衬底材料要综 合考虑以下的几个因素： 1 衬底材料和外延薄膜间的晶格匹配和热膨胀系数匹配 2 衬底材料和外延薄膜间的化学稳定性匹配 第一章绪论 3 衬底材料的界面特性较好 4 衬底材料光学性能好，对器件所发光吸收小 5 导电性好，能制成上下结构 6 尺寸足够大 7 材料制备的难易程度及其成本高低 用于研究g a n 生长的衬底有：a 1 2 0 3 、s i c 、l i a l 0 2 、s i 、z n o 、g a a s 等，目 前用于生产的主要有s i c 并i a l 2 0 3 。表1 3 为用于g a n # i 延生长的衬底材料的一些 物理性质。 表1 - 3g a n # i 延衬底材料部分物理性质 蓝宝石衬底是当前用于g a n 生长最常用的衬底，它和g a n 纤锌矿结构具有相 同的六方对称性。其优点是稳定性好，禁带宽度大于g a n ，价格适中，制备工艺 成熟。缺点是晶格失陪度大，绝缘不导电，导热性差。不过这些缺点都被很好地 克服掉，如晶格失配问题被低温缓冲层所克服；绝缘问题由同侧台阶电极所克服。 主要是导热性问题，在大功率发光器件中较为严重，不过也可以通过把g a n j i 延 片与s i 的键合再结合激光剥离克服【1 8 】。 s i c 衬底是除蓝宝石外，用于外延生长g a n 的另一个常用衬底【1 9 】。它是美国 c r e e 公司为了避开日本的日亚公司的蓝宝石衬底的专利而开发的。其优点是导 电、导热性能良好，化学稳定性好，不吸收可见光，相对蓝宝石，晶格匹配和热 失配程度也较小；缺点是价格过高，质量不如a 1 2 0 3 和s i 好。 l i a l 0 2 衬底主要用于非极性g a n # f - 延生长的研究【2 0 1 ，这对于提高g a n 基 l e d 的内量子效率有广阔的前景，目前仅处于研究阶段。 s i 衬底有其价格优势，国内很多实验组也在开展研究，特别是南昌大学在 6 第章绪论 这方面已经有了较全面的成梨2 1 1 。 z n o , , - j 底署1 ：1 g a n 之间的晶格匹配较好，而且容易被酸碱腐蚀从而获得g a n 单晶材料，缺点是价格高，化学稳定性差，高温下会年i g a n 反应，目前只能用 m b e 在相对低温下生长g a n t 2 2 1 。 1 3 2g a n 材料外延生长设备 金属有机物化学汽相沉积( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，m o c v d ) m o c v d 也称m o v p e ，是金属有机物化学汽相沉积的缩写，是目前生长i i i 族氮化物多层结构最主流的方法，也是目前唯一能制备出高亮度氮化物发光二极 管并用于规模化生产的生长技术。m o c v d 设备可分为5 个主要部分：反应腔、 反应源和载气供应系统、控制系统、尾气处理系统以及安全保障系统。其工作原 理是有机源在载气携带下输运到反应腔入口混合，然后输运到衬底处，气体源在 高温下裂解、发生化学反应，在衬底上沉积。最后反应副产物经由尾气排出。 g a n 材料外延生长，一般使用三甲基镓( t m g a ) 和氨气分别作为g a 源和n 源，氢气和氮气则作为载气。典型的g a n 的m o c v d 生长温度大约为1 0 3 0 ， 生长速率大约为2p , m h 。硅烷( s i h a ) 和二茂化镁( m g c p 2 ) 分别作为n 型掺杂 的s i 源和p 型掺杂的m g 源，掺杂浓度最大值均可以到1 0 2 0 c m 。数量级。 分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，m b e ) m b e 是目前除了m o c v d # f ，用于g a n 基材料外延生长研究最多的生长技 术。直接以g a 或a l 的固体升华分子束作为i i i 族源，以n h 3 作为v 族源材料，在衬 底表面反应生成氮化物。该方法可以实现较低温度下生长g a n ，但是低温下n h 3 的裂解率很低，整个生长中反应速度慢。近来，人们利用r f 或e c r 等离子体辅 助增强技术提高n 源裂解率，取得了较好的结果。 氢化物汽相外延( h y d r i d ev a p o rp h a s ee p i t a x y ，h v p e ) h v p e 是最早用于生长g a n 的外延材料生长技术，与m o c v d 一样也是属于 汽相沉积装置，两者有一定的共同点。 7 第一章绪论 在外延生长g a n 材料时，采用金属镓作为i i i 族源材料，以n h 3 作为v 族源材 料，以h c l 作为反应气体，以氮气或氢气作为载气。在源区，h c i 与g a 在8 5 0 下产生反应生成g a c l 3 ，在1 0 5 0 的淀积区，g a c l 3 与n h 3 反应生长出g a n 的外 延层。h v p e 技术的优势是生长速率高，是获得g a n 厚膜和单晶材料的重要方法。 表1 3 给出了m o c v d ，m b e 和h v p e 的优缺点的比较。 表l - 4m o c v d 、m b e 和h v p e 的比较 1 4g a n 材料p 型掺杂的现状 理想的n 型和p 型材料是各种半导体材料得以应用的前提，是各种半导体器件 发挥良好性能的基础。对于已经进入市场化生产的g a n 基l e d 器件，n 型掺杂已 经具备较成熟的技术，p 型掺杂仍是目前阻碍g a n 基l e d 进一步发展的障碍。p 型 第一章绪论 g a n 材料的空穴浓度直接影响着器件的发光效率和发热大小等重要参数。目前 m g 是p 型g a n 基材料的主要掺杂剂，但m g 原子会和残留在g a n 材料中的h 原子形 成m g h 络合物，导致m g 的钝化效应，所以需要退火打开m g h 键才能激活m g 受 主。同时m g 杂质在g a n 基材料中能级位置较深，其激活能为1 7 0m e v ，在禁带宽 度更宽的a 1 g a n 材料中，m g 的离化率就更低了。 m g 重掺杂会降低材料的质量，引进更多的晶格缺陷，这些晶格缺陷会充当 受主，补偿以激活的m g 原子，所以过分的重掺杂并不能有效地提高空穴的浓度， 重掺杂甚至会降低空穴的迁移率。研究表明重掺杂时m g 受主的离化率还不到 1 t 2 3 】【2 4 】。 这种背景下a i g a n g a n 超晶格被用于提高m g 的掺杂效率，提高p 型欧姆接触 的比接触电阻【2 5 】。同时二维空穴气有很好的扩展效果，所以a i g a n g a n 超晶格 应用于l e d 结构中可以起到了电流扩展的作用，可以很好地避免传统金属电流扩 展层对光的吸收。 1 5g a b l 基材料极性的概述 在蓝宝石 0 0 0 1 】方向上生长的g a n 材料及其它i i i v 族氮化物是有极性的。 这时的g a n 材料有两种，一种是镓极性的，一种是氮极性的。这两种材料虽然都 是纤锌矿结构的，但是物理性质，电学性质却有很大的区别。其中镓极。i 生g a n 材 料的外延层在晶体质量，欧姆接触性能等方面的性质都优于氮极性g a n ，所以目 前生产上主要也是生长镓极性g a n 。 极性材料中会存在极化效应，由此产生的极化电荷出现在异质界面处，所 以极性对g a n 基材料的多层膜结构的影响是较为明显的。极化电荷产生的极化电 场会使能带发生倾斜，进而影响外延材料的电学性质。g a n 基材料的极化特性有 其有利的一面，也有其不利的一面。有利的一面：利用a i g a n g a n 异质结的极化 电场可获得高浓度的二维电子气；a 1 g a n g a n 超晶格中的极化电场被利用于提高 p 型g a n 基材料的掺杂效率。不利的一面：镓极性g a n 通常极不易湿法腐蚀；量 子阱结构中的极化电场使电子，空穴在空间发生分离，降低量子阱的内量子效率。 9 第一章绪论 1 6 本文的研究内容和目的 本文研究的重点是根据g a n 基材料的极化特性，提高g a n 基l e d 的器件的性 能。包括两方面的内容： 1 在a i g a n g a n 超晶格的基础上，发展i n g a n a i g a n 超晶格，进一步提高p 型g a n 基材料的掺杂效率，提高空穴浓度，改善欧姆接触性能。 2 利用i i l 组分调制渐变改善能带结构，抵消g a n 基l e d 量子阱的部分极化 电场，提高l e d 的内量子效率。 l o 第一章绪论 参考文献 【1 】a a s g a f i ，e a h m a d i ，m k a l a f i ，m i e r o e l e c t r o n i c sj o u r n a l ，4 0 ：1 0 4 ( 2 0 0 9 ) 【2 】r u s s e l ld d u p u i s ，j - h r y o u ，s - c s h e n , e ta l ，j c r y s g r o w ，310 ：5 217 ( 2 0 0 8 ) 【3 】r h h o m g , w k w a n g , s c h u a n g , c ta l ，j c r y s g r o w ，2 9 8 ：219 ( 2 0 0 9 ) 。 【4 】s c h u a n g , d s w u u ，p y w u ，e ta l ，j c r y s g r o w ，3 ：15 ( 2 0 0 9 ) 【5 】o s v e n s k , p t t 6 r n 幢，s s u i h k o n e n ，e ta l ，j c r y s g r o w ，3 10 ：515 4 ( 2 0 0 8 ) 【6 】d q u e r e n ，a a v r a m e s c u ，g b r l l d e r l ，e ta l ，a p p l p h y s l e t t ，9 4 ：0 81 1 19 ( 2 0 0 9 ) 【7 】p p e r l i n ，t ；w i e t l i k ，l m a r o n a ，e ta l ，j c r y s g r o w ，310 ：3 9 7 9 ( 2 0 0 8 ) 【8 】h a m a n o ，m k i t o ，k h i r a m a t s u ，e ta l ，j p n j a p p l p h y s ，2 8 l 21 12 ( 19 8 9 ) 【9 】i a k a s a k i ，j c r y s t g r o w t h ，3 0 0 ：2 ( 2 0 0 7 ) 【i 0 】s j p e a r t o n ，j c z o l p e r ，r j s h u l ，e ta l ，j a p p l p h y s ，8 6 ：1 ( 1 9 9 9 ) 【1i 】m r a z e g h i ，r m c c l i n t o c k , j c r y s m lg r o w t h ( 2 0 0 9 ) ，d o i ：10 10 16 j j c r y s g r o 2 0 0 9 01 0 9 7 【12 】i v u r g a f f m a n ，a n dj r m e y e r ，j a p p l p h y s ，9 4 ：3 6 7 5 ( 2 0 0 3 ) 【1 3 】o b r a n d t ，h u i y a n g ，h k o s t i a i ，e t a la p p l p h y s l e t t ，6 9 ：2 7 0 7 ( 1 9 9 6 ) 【1 4 】d o y e o la i m ，a n ds e o u n g - h w a n p a r k ，a p p l p h y s l e t t ，6 9 ：3 0 0 3 ( 1 9 9 6 ) 【1 5 】i l j u z aa n d h h a h na n dz a n o r g a l l g c h e m ，2 3 4 ：2 8 2 ( 1 9 3 8 ) 【1 6 】h g r i m m e s i s sa n dz h k o e l m a n s ，n a t u ：e ，1 4 a ：2 6 4 ( 1 9 5 9 ) 【1 7 】h a m r l o ，n s a w a k i ，i a k a s a k i ，e ta l ，a p p l p h y s l e t t ，4 8 ：3 5 3 ( 1 9 8 6 ) 【18 】e v l u t s e n k o ，a v d a n i l c h y k , n p t a r a s u k , e ta l ，s u p e r l a t t i e e sa n dm i c m s t m c t u r e s ，4 ：4 0 0 ( 2 0 0 7 ) 【l9 】h t a n g , s r o l f e ，f s e m o n d , j c r y s t a lg r o w t h3 11 ：2 0 91 ( 2 0 0 9 ) 【2 0 】m d r e e d , o m k r y l i o u k , m a m a s t r o ，e ta l ，j c r y s t a lg r o w t h2 7 4 ：1 4 ( 2 0 0 4 ) 【2 l 】张萍，刘军林，郑畅达等，半导体学报，2 9 ：5 6 4 ( 2 0 0 8 ) 【2 2 】x i n gg t l ，m i c h a e l 九r e s h e h i k o v , a l it c k c ，a p p l p h y s l e t t ，8 4 ：2 2 6 8 ( 2 0 0 4 ) 【2 3 】k a u f m a n nu ，s c h l o t t e r p h y s r e v b ，6 2 ：10 8 6 7 ( 2 0 0 0 ) 【2 4 】k i mk h a r r i s o njg ，j v a c s c i t e c l z n 0 1 21 ：13 4 ( 2 0 0 3 ) 【2 5 】c l w a n g , m c t s a i ，j - r g o n g , e ta l ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ：b ，18 ：18 0 ( 2 0 0 7 ) 第二章g a n 基材料的柽性担极化电场 第二章g a n 基材料的极性及极化电场 g a n 基材料属于i v 族半导体，有许多与传统的一v 族半导体相似的性 质，但它与传统常用的g s a s 基和 n p 基等材料的闲锌矿结构不同，它既具有闪 锌矿结构又具有纤锌矿结构。纤锌矿结构的g a n 与传统的i - v 族半导体材料有 许多不同之处，其中一个最重要的不同就是纤锌矿结构的c r a n 在【0 0 0 1 】方向是 有极性的。 2 1g a n 基材料极性的定义 在闲锌矿结构中，虽然由于原子间的电荷转移，产生了用离子和阴离子，但 是由于该结构存在对称面，阳离子和阴离子的中心相互重合所以材料中没有极 化产生。而对于纤锌矿结构，如图2 - 1c a ) ，空间群为p 6 3 m c ，为非中心对称结 构，在【0 0 0 1 】方向并不存在对称面，以两组六方最密堆积的原子相互穿插( 两 者相差3 8 ) 形成a a * b b * a a * b b * 的排列。阳离子和阴离子的中心有所偏离， 因而产生极化，这个就称为自发极化。在宏观的平衡状态下，它的总极化电荷并 不为零，所以g a n 基材料表现为极性材料。 ( a ) 图2 - 1 纤锌矿结构图 ( b ) 第= 章o 州萋材料的极性爱擐化电场 当然纤锌矿结构中也存在非极性面，m ( 1 1 0 0 ) 、a ( 1 1 - 2 0 ) 都是o a n 基 材料的非极性面，如图2 - 1 ( b ) 所示。不过目前非极性洲基材料的生长仅处 在研究阶段，并未太规模应用于生产，本文不作介绍。 l v 族氮化物系列材料中，传统m o c i ) 生长出的外延层，其晶件的堆积 方式可能是纤锌矿结构也可能是闪锌矿结构。而目前我们现在生长的0 棚基 材料绝大部分是在蓝宝石的m o l 】方向上生长具有w 础结构，因此这些 g 拼基材料都是有极性的。 以g 拼为例，g a n 的极性可以用( 0 0 0 l ) ，0 a 面+ c ，镓极性或0 a 极面 五个等价的名称来表示一个方向，而另一个方向则用( 0 0 0 1 ) ，n 面，一c ，氨极 性或n 极面来表示。如图2 - 2 示，对于o a 极面，g a 原子是一个键朝上而三个 键朝下n 原子则相反，三个键朝上而一个键朝下；n 极面与0 4 极面相比，只 不过是g a 和n 原子对换了位置，而结构完全相同叽 。_ 丫御f t0 一。彳。、。l 匙基枞 器攀憩j。亨计、弋 2 2 镓极性g “材料和氮极性g a i 材料 2 , 2 1 两种极性g 丑n 材料的性质差异 虽然两种极性o a n 材料的结构相同，仅是生长方向相反，但是它们却具有 不同的表面结构、微量杂质成分和化学特性。 1 镓极性g a n 外延层易于实现光亮平整的晶体表面，而氮极性g 拼表 面则布满了六角形的金字塔结构的租糙表面【”，如图2 - 3 。 第：章c a n 草村料的撮性艟极化电场 2 氧在氮极性面的吸附和结合率远高于镓极性面。 3 稳定性差异：两种不同极性的g a n 的化学腐蚀特性恰好相反，镓极 性g a n 耐酸碱，氮极性g a n 能被k o h 溶液所腐蚀6 l ；镓极性g a i n 具有相对好的热稳定性，氮极性g a n 在9 5 0 - - 1 0 0 0 时升华，而镓 极性g a n 在1 0 0 0 以上时仍然是稳定的。 4利用m o c v d 生长g a n 材料时，碳、氧、铝等杂质更容易进入氮极 性的g a n 薄膜口】，因此氮极性g a n 中的载流子浓度远高于镓极性 c a n ，即有背景掺杂浓度相对高得多。同时镓极性g a n 相对于氮极 性g a r 具有更高的电子迁移率。 5 镓极性g a n 更易于实现m g 掺杂，其掺杂效率为氮极性g a n 的3 0 倍阎；做金属口型g a n 欧姆接触时，镓极性g a n 的接触电阻比氨 极性小了两个数量级 9 1 。 从以上两种极性g a n 基材料的性质对比可知，镓极性g a n 相比氨极性 g a n 具有更好的外延质量电学性能，因此为了制取高质量的g a n 基半导 体器件，通常在外延生长过程中控制获得镓极性g a q 。 图2 - 3 光学显徽镜下两种极性g a n 表面 2 2 2 两种极性之间的转变 一般条件下，g a n 材料的极性由外延过程中的成核期决定，初期的极性决 定后续生长的外延材料的极性。最近研究表明，通过适当的方法，可以实现生长 过程中两种极性之间的转变。 关于极性转化，较多的是m b e 生长过程中实现的，利用m g 重掺杂形成 m g 单原子层或m 9 3 n 2 ，可以实现g a n 从镓极性到氮极性的转变【。 第= 章o s n 基材料的极性及摄化电蜻 p e z z a g n a 等利用m g 重掺杂，形成的m 9 3 n 2 充当反型层，实现了m o c v d 生长过程中从镓极性o a n 到氨极性o a n 的转型“l 。y o s h k a w a 等剃用a l 双原子 层实现了m o c v d 和m b e 生长过程中从氮极性g a n 到镓极性c a n 的转变。 其中a l 双原子层在其中起蓟的作用如图2 - 4 所示，g a n 材科实现了扶氮极性捌 蟓极性盼转变。 蛋2 4 利用a l 双原子层实现极性转化 2 3g “基材料中的自发极化和压电极化 在m - v 族氮化物元件中，不管是镓极性材料还是氮极性材料都存在极化效 应，该极化效应包括丁自发极化和压电极化两种。自发极化是由纤锌矿结构在 o o o l l 方向的不对称性引起的，而压电极化产生的原因则是在异质结界面处 由于不同材料之间彼此晶格不匹配产生应力，使得阴离子和阳离子的排列发生移 动，产生出极化电荷，称为压电效应。一般说来，i i i - v 族氮化物半导体的压电 系数比传统的半导体高了一个数量级。总体上说，当外电场为零，总极化强度 p 谢可以表示为晶格驰豫状态下的白发极化强度p 。和应力产生的压电极化强度 p 的总和3 1 1 1 4 】咖【i q ，即：h n + p 。 m v 族材料的极性在影响材科结构和电学性质的同时也决定了自发极化和 压电极化的方向。如图2 5 示，箭头标出了镓极性和氮极性的a i g a n g a n 和 i n o a n g a n 异质结材料中的自茇极化和压电极化的方向。自发极化和压电极化 的正方向定义为：c 轴方向上金属原子( 离子) 指向最近的n 原子( 离子) 。不 管是何种极性的i h - v 族氮化物，如果压电极化在原子受到张应力为负值，而受 到压应力为正值，则这时的白发极化为负值旧。因此，在张应变的情况下白 1 5 兰 第二：章g a n 基材料的极性及极化电场 发极化和压电极化的方向是相同的；在压应变的情