（材料物理与化学专业论文）氮化镓基发光二极管的低频噪声研究.pdf

摘要 氮化镓作为第三代半导体材料的典型代表，在制作抗辐射、高频、大功率、 高密度集成的电子器件以及蓝、绿、紫外发光器件和光探测器件方面有着重要应 用。但是作为一种新型材料，无论是材料还是器件在制备过程中都存在一系列材 料物理和工艺问题，致使其中的缺陷密度很高，因此其质量和可靠性都达不到工 艺成熟的硅和砷化镓的水平。噪声与器件的内部缺陷密切相关，也直接影响着器 件的性能、应用和可靠性。所以对氮化镓基材料及器件的噪声分析有助于对该类 器件各种缺陷的特性，尤其是潜在缺陷对器件性能影响的研究。 本论文的主要成果和结论有： 1 ) 综述了目前氮化镓材料与器件的发展状况及低频噪声研究进展，研究了氮化镓 基发光二极管的结构、工作原理、制造工艺，从材料结构缺陷的角度分析了影 响其性能和质量的因素。 2 ) 在宽范围偏置条件下，测量了氮化镓基发光二极管的低频噪声，实验表明，其 低频噪声主要表现为典型的l f 噪声，噪声幅值与偏置电流的m 次方成正比， 在低电流区，m 约为1 ，在大电流区，m 约为2 。并比较了其低频噪声特性与砷 化镓基发光二极管的低频噪声特性的异同。 3 ) 在详细分析氮化镓基发光二极管低频噪声的产生机制上，深入研究了其偏置特 性，确定了不同电流传输机制下的的1 f 噪声产生机理，根据载流子数涨落和 迁移率涨落理论，给出了三种典型的低频噪声的产生机理和定量模型。 4 ) 通过测试经辐照后器件中的低频噪声发现，在小注入时，器件出现了g - r 噪声 组分，且幅值随辐照剂量的增加而增大，并从理论上初步解释了其原因。分析 辐照前后低频1 f 噪声幅值随辐照剂量的变化规律，发现其1 f 噪声主要分 为来源于结区的基本1 f 噪声和来源于串联电阻的非基本l f 噪声。并探索了 可将其非基本1 f 噪声幅值作为氮化镓基发光二极管抗辐照能力的表征参数。 本文工作可为将低频噪声用于氮化镓基发光二极管的可靠性研究提供实验和 理论基础。 关键词：g a n 基发光二极管，射线辐照缺陷低频噪声 a b s n a c t a sa t y p i c a l 帅eo f s 锄i c o n d u 咖rm a t e r i a lo f t h em i r dg e r a t i o n g a l l i 呦 n i t r i d eh 舔a1 0 to f s p 晒a lp r o p 硎c s ，s oi th 髂b e e nd 锄o n s 仃a t e da 1 a r g ep o t e l l t i a lf b r a p p l i c a t i o n si nc ! l e c t r o n i cd e v i c e so f i r r a d i a t i o n h a r 血髓s 、h i g h 一丹即l e n c y 、l a r g e - p o w e r a n d 辄p 耐n 删o n ，柏da l s oi no p t o e l c c 们n i cd e v i c e s ，s u c h 硒b l u e 、g r c e na n dv i 0 1 e c l i g h t 咖i t t i n gd i o d e s 髓dp h o t o d e t e c t o r s w h i l e 鹪an e ws c i n i c o n d u c t o rm 删a 1 ， b c c a u s eo f av a r i e t yo f m a t e f i a lp h y s i c sa n dt c d m 0 1 0 i c a lp r 曲l e m si n t r o d l l c e di l lt h e d c 、，i c e sp r 印a r a d o n ，t h e yc o n t a i l lh i 曲v a i u eo f d e 南c t sd e i l s i t ya n dt l l e i rq u a l i t y 黝d r c l i a b i l i t yi s 胁l 懿st h 强s ia i l dg a a s ，w h o s et e c h n o l o 西e sa r em a t i | r c d n e i rn o i s e l c v dh 醛ar e l a t i o n s h i p 诵t l li 衄c rd e f b c t s ，d i r c c t l yi n n u e n c e st l l ed i v i c e s p c r f o m l a i l c e s 、 a p p l i c 砒i o n sa n dr e l i a b i l i t y - s os t u d y g a n b 弱c dm a t e r i a la i l dd c 、，i c e s n o i s e 谢l lb e h d p a d t op r o b ed e f b c t si nt h e s ed c v i c c s ，e s p e c i “l yt oi n s p c c tt h ei n n u 翎c eo f l a t t d e f b c t so nm e d e v i c c s p e r f b 如1 a n c e s h e r ca r et h em a i nc o n 喇b u t i o n sa i l dc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e r ： 1 ) t h er c s u l t so fe x p 谢m 锄t a l 锄dt 1 1 e o r c t i c a ls t i l d i e so fg a n _ b a s e dm a t 丽a i sa n d d e 、，i c e sa 1 1 dm e i rl o w 一疗e q u c i l c yn o i s ea r er e v i c w c df i r s t b ) ，i 1 1 9r e s e a r c h i n gt h e 咖咖r e 、p r 印跏c i o nt e c h n o l o 百c sa i l do p e r a t i o np 血c i p l e so fg a n - b a s c dl i 曲t 锄i t t i n gd i o d c s ，w et h o r o u g h l ya n a l y z e dt h e 矗c t o r st l l a ti i l n u e n c et h eq u a l i t ya n d t l l ep e r f b r n l a i l c eo f g a n - b a s e dl i g h tc i i l i t t i n gd i o d e s 2 ) l o w 蜀n e q u e i l c yn o i s eo fg a n - b a s e dl i 窟me m i 仕i n gd i o d e sw 船s u c c e s s f i l l l yt e s t e d w i t l l i naw i d e 啪g eo fb i a s 州c n t s e x p 喇m c n t a lr e s u l t sd c l i l o n s t r a t em a ti t s1 0 w 五嘣e n c yn o i s ec o n t a i n sm a i n l y1 fn o i s e t 1 1 e 锄p l i t i t u d eo fm ei fn o i s ei s p r o p o 埘o n a l 幻b i a sc u i r 即t ( ，) i nt h er a i l g eb e l o w5 l o 一5 a ，w h i i e ，i nm ec l i n e n t 啪g ca b o v e5 1 0 一5a ，t h em a g n i 缸d et h e1 fn o i s ei sp r o p o r t i o nt oj 2 w ea l s o c o m p a r e dt h el o w 丘弼u 锄c yn o 主s eo fg a n - b a s e d1 i g h t 锄i 埘n gd i o d c sw i t ht h a to f g a a s - b a s c dl i g h te i n i 仕i n gd i o d e s 3 )b ya i l a l y z i n gn 地g c l l c r a t i o nm e c h a n i s m so ft h el o w 丘钢u e i l c yn o i s eo fg a n _ b a s e d 1 i g h t 锄i 恤gd i o d e sa n di n v e s t i g a t i n gt 1 1 er e l a t i o n s h i po fm em a g n i t i l d eo ft h e1 f n o i s ew i t hm eb i a sc u n n t s w ed e t e i t n i t l e dm ed i 丘b r e n tn o i s em e c h a n i s m su n d e r d i f f b r tc u n 蜘t 戗m s p o i t i o nc o n d i t i o n s ，p r o p o s c d 缸e er c l a t c d1 fn o i s em o d c l s b 船c do nt h em e c h a i l i s m so f c 枷e r sn u m b c rn u 咖a t i o n 肌dm o b i l i t yf l u c t i l a t i o n 4 )b yt e s t i n gt l l el o w 右e q u 锄c yn o i s eo ft h ei r r a d i a t c dd e “c e s ，a t1 0 wc u r r e n t l e v e l s ，t h es p e v e r yo f t e nc o 删n sal o r e l l t z i a i ls p e c 咖mc o m p o n c n to nt o po f m el ，n o i s ed u et og rn o i s ca i l dt h em a 西n i t l l d eo f t h i sn o i s ec o m p o n e n ti n c r e 船e s 氮化镓基发光二极管的低频噪声研究 a st b et o t a ld o s 嚣i n c f e a s c s ，w ea l s o 垂v cat e n 组t i v ec x p l a a t i o n t h el n o i s ec a n b es e p a r 疵：di i 蛔铆on o i s ec o m p o n e n t s ：缸n d m 锄t a l1 厂n o i s ea n dn o n 如n 缸积l 1 n o i s e l a s t ，w ec h o s et h em a g i n i t u d eo f n o n f 妇d i n e n t a ll ，厂n o i s e 嬲ad e “c c s r c l i a b i l i 锣r 印r e s 蜘伽o np a r a m n 瓯 t h e 、釉r kd o n ei nt h i sp a p e rp r o v i d c s 觚e x p 甜m e n t a l 强dt h c o r e t i c a lb a s i sf o r1 f n o i s et ob eu s e di nc h a r a c t 融z 主n gr c l i a b i i 毋o f g a n - b a s e dl i g h t 锄i n i n gd i o d e s k e y w o r d s ： g a n - b a s e dh g h t - e i n i t 6 n gd i o d e s y 1 a y si r r a d i a t i 伽 d e f 爸c t s l o w - f r e q h e n c yn o i s e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盔盛 日期趁叠墨乡 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：望邀 新魏越 日期 日期 劢o g 弓、| o 力力务罗1 f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 s i 和g a a s 分别为传统半导体材料第一代、第二代的代表。它们的发展推动了 微电子技术、光电子技术的发展，以此为基础的信息技术给人类社会和生活带来 了翻天覆地的变化。由于材料本身的限制。第一代、第二代半导体材料只能工作 在2 0 0 以下的环境中，而且抗辐射、耐高压击穿性能以及发射可见光波长范围都 不能完全满足现代电子技术发展对高温、大功率、高频、高压以及抗辐射、能发 射蓝光的新要求。在这种情况下，新型电子器件材料的选择推出了以g a n 为代表 的第三代半导体材料。 g a n 作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、击穿场强高、饱 和电子迁移速率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强，以及良好的化学稳 定性，适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，而且可以制作 蓝、绿和紫外发光器件和光探测器件【1 】。 目前g a n 凭借其出色的物理、化学以及光电性能成为第三代半导体材料的典型 代表，g a n 行业也成为全球半导体研究的热点和前沿领域，被誉为i t 行业的又一“发 动机”。尽管g a n 行业在近十多年来已取得了一些突破性的进展，如高质量g a n 、 i l l g a n 外延层的生长【2 】，低阻口型g a n 的获矧3 删等。但缺乏合适的衬底材料一直是 g a n 行业发展的瓶颈。目前常用的衬底为蓝宝石( 晶格失配为1 3 ，熟失配3 4 ) ， 致使g a n 外延层存在严重的质量问题，如杂质含量高、位错密度大( 1 0 9 c l n 2 ) 、缺 陷多、晶体完整性差【5 - 7 等。目前g a n 基光电器件的制造技术已经比较成熟并且已 经初步商品化。其电子器件ga _ nh e m t 拥有出色的功率特性，但仍没有实现商品 化，除了与其相竞争的半导体器件己经牢牢占据了市场，其成本较高以及人们心 理层面的问题外，最重要的还是因为还有需要解决的工艺问题。相对于s i 和其它i 一v 族技术，如s i c ，g a n 技术仍不成熟。而且，对g a nh e m t 的长期稳定性和可 靠性也了解甚少。 大量的研究表明o 】低频噪声是导致器件失效的各种潜在缺陷的敏感反映，此 外噪声检测方法还具有灵敏、普适、快速和非破坏性等优点。电噪声根据其形成 机构可分为白噪声和过剩噪声。其中，白噪声与频率无关，主要由材料或器件的 本征性质决定；过剩噪声则在低频下显著，主要由材料或器件的不完整性决定，大 量研究已经证明，绝大多数不完整性( 尤其是潜在缺陷) 的存在都会引入过剩噪声， 而且噪声大的器件，可靠性必然差。另外，低频噪声与传统的电学参数相比较， 可以更加灵敏地反映器件的潜在损伤，这些都使得低频噪声能广泛的应用于半导 2 氮化镓基发光二极管的低频噪声研究 体器件的可靠性研究。低频噪声除了可以用在电子器伊1 1 1 【1 2 1 可靠性的检测外，在 一些光电器件如量子阱激光裂1 3 】【1 4 1 、发光二极管【1 5 - 堋、光电耦合器 1 8 珈1 方面也有 成功的应用。 因此，本文选取氮化镓基发光二极管为主要的研究对象，测试其中的低频噪 声，分析其中的低频噪声类型、产生机理、模型和影响因素，并通过讨论辐照前 后低频噪声的变化：可以探测辐照对二极管不同区域的损伤，从而提取其中丰富 的缺陷信息。进而为将低频噪声用于检测ga _ n 基发光二极管的内在质量和评定器 件的可靠性奠定一定的实验和理论基础。 本实验室在将低频噪声用于g a a s 基发光二极管可靠性的研究方面也取得了 突出的成，就【2 m 3 1 ，因此，将低频噪声这种无损检测方法用于本课题的研究是有意 义而且是可行的。 1 2 国内外研究进展 1 2 1g a n 材料及器件的研究进展 1 9 2 8 年，j o h n s o n 等人【2 4 】首次合成了g a n 这种自然界中不存在的化合物材料。 由于在较高的制备温度下，n 的分解压大大高于g a 的分解压，难以获得晶体，所以 对它的研究未取得很好的进展。在6 0 年代，用一v 族化合物材料砷化稼( g a a s ) 制成激光器后，人们才又对g a n 的研究产生兴趣。1 9 6 9 年，m a m s k a 和t i c t j 锄【2 】成 功制备出g a n 单晶薄膜。但在此后很长一段时期内，g a n 材料由于受到没有合适的 衬底材料、n 型本底浓度太高和无法实现p 型掺杂等问题的困扰，进展十分缓慢。 9 0 年代以来，由于缓冲层技术的采用2 5 。2 7 】和p 型掺杂技术的突破【3 】 4 】，对g a n 的研 究热潮在全世界蓬勃发展起来。1 9 8 3 年，y o s h i d a 等人用分子束外延( m b e ) 方法生 长g a n 时使用氮化铝( a i n ) 作为缓冲层，使g a n 性能有所改善。1 9 8 6 年，h a m a n o 等人【2 8 】采用金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 和a l n 缓冲层，使生长的g a n 薄膜 的质量显著提高，取得了g a n 材料生长突破。a k a s a “等【2 6 2 ”0 1 详细研究了a i n 的作 用，认为a i n 缓冲层主要有两个作用：提供与衬底相同取向的成核中心：降低界面 自由能，加速水平生长。在此期间，n a k a m u r a 等【24 7 】利用g a n 作为缓冲层，也取得 了很好的效果。现在，采用a 1 n 或g a n 作为缓冲层己成为i 一v 材料生长的基本方 法。同时，为了实现p 型g a n 单晶生长，经过6 0 至8 0 年代近2 0 年的努力，1 9 8 9 年， h a m a n o 等人【3 】在生长掺镁( m 曲的g a n 后，采用电子束照射方法首次获得p 型g a n 单晶。1 9 9 1 年，a k a s a k i 等【3 l 】也通过低能电子束轰击( l e e b i ) ，将补偿的掺m g 的g a n 转变为p 型材料，并第一次制造出了p - n 结蓝色发光二极管( l e d ) 。s n a k 锄u r a 等人 第一章绪论 3 1 2 】利用同一方法得到浓度为3 1 0 ”g 孵4 的低阻p 型g a n 材料，同时发现在7 0 0 氮烈2 ) 气氛中退火，也能收到同样效果，而在氨气( n h 3 ) 中退火，材料重新转变为绝缘体。 于是，氢( h ) 被确定为补偿p 掺杂的原因。p 型g a n 的研制成功，为研究i i 族氮化物 半导体器件，尤其是光电子器件铺平了道路，使制备蓝光、蓝绿光或蓝紫光发光 二极管( l e d ) 成为可能。除光电器件外，g a n 还广泛应用于高速、高温电子器件。 自从k h a i i 等在1 9 9 3 年制作出第一只氮化镓金属一半导体场效应晶体管( g a n m e s f e t ) 和a l g a n g a n 高电子迁移率晶体管( h e m 盯) 以来，g a n 基场效应晶体管 ( f e t ) 发展很快。此后相继制作出g a n 基异质结双极晶体管( h b t ) 、结型场效应晶 体管e t ) 以及金属一氧化物一半导体场效应晶体管( m 0 s f e t ) 。其中g a n g a n h e m t 得到广泛研究。 目前g a n 基光电器件已经商业化，而g a n h e m t 拥有如此出色的功率特性，但 仍没有实现商品化，除了与其相竞争的半导体器件已经牢牢占据了市场，其成本 较高以及人们心里层面的问题外，最重要的还是因为还有需要解决的问题。相对 于s i 和其它i v 族技术，如s i c 技术，g a n 技术仍不成熟。而且，对g a nh e m t 的长期稳定性和可靠性也了解甚少。g a nh e m t 漏极电流受频率影响而发生变化， 存在漏极电流崩塌现象。该现象影响器件的最大r f 漏极电流，使其远小于同一或 相似器件直流情况下所得到的最大电流。 1 2 2g a n 材料及器件的低频噪声研究进展 g a n 基材料及器件中的低频噪声的研究状况见证着g a n 材料及器件的工艺技 术从不成熟到逐步成熟的发展历程。 1 9 9 7 年，o s i n s k y a 和k u k s c l l k o 【3 2 等人首次测试了g a n 中的低频噪声，测试器件 l 为可见光盲p n 结g a n 光电探测器( 一6 6 1 0 4 5 矽z 拓2 对于2 0 0 2 0 0 聊m 2 类型的光 电探测器) 。尽管当时测试的光电探测器的噪声很小，但是胡格常数a 的值很大 ( 。3 ) 。之后从n g a n 电阻器上也测试到了相似的a 值【3 3 1 ，电阻器用薄膜( 1 掣掰) 六方n g a n 制成，该薄膜以蓝宝石为衬底，在3 0 0 k 时的平衡电子浓度为z 1 0 ”， 作者分别分析了在8 0 k r 4 0 0 k 和2 0 匕厂2 0 托时的低频噪声特性，发现在 整个的温度范围内，低频噪声主要表现为1 f 噪声，a 值为5 7 ，噪声与温度的关系 很微弱。文中同时研究了n 。g a n 中能带一能带发光对低频噪声的影响，获取的数据 表明g a n 中1 噪声的本质与s i 和g a a s 中类似，如1 f 噪声是由能带边缘的带尾态的 复合的涨落引起的。文献【3 4 】在掺m g 的p g a n 薄膜中测试到了甚至更高的a 值( 高 4 氮化镓基发光二极管的低频噪声研究 达az1 5 0 ) ，样品以蓝宝石为衬底，其中的位错密度大约为1 0 9 1 0 ”册。2 ，样品中 很高的位错密度可能是1 f 噪声的起源。1 9 9 9 年，m e l e v i n s h t e i n 等人 3 刀在以蓝宝 石为衬底、2 0 啪厚的样品中测试到了相对低的1 f 噪声，a * 5 1 0 - 2 ，比文献3 司报 道的不完美的n - g a n 薄膜( ”。z6 0 c m 2 跆) 中的a 值低了两个数量级。 1 9 9 8 年，m e 伽i n s h e t e i n 和d v k 1 【1 l ( s e n k a 首次吲报道了g a n ， l g a n 场效应晶 体管中的低频噪声，当时在样品中仅仅测试到了1 f 噪声，且具有典型的“厂，形式， 胡格常数a 大约为l o - 2 。在之后不久，a b a l 锄d i n 和m e l e “n s h e t e i n p 刀又测试到 了更小的a 值( 1 0 _ 3 一l o 5 ) ，与商用g a a s 脚g a a sh f e t s 中的a 值有相同的数量级。 这表明材料的生长技术和器件的制备技术有了很大的提高。1 9 9 9 年， s l r 嘲y a n t s e v 人【3 8 】首次在g a n ，m g a nh f e t ( 以蓝宝石为衬底) 中测试到了产生 复合噪声，从噪声与温度的关系可以算出激活能ezo 4 2 删，后来又有不同激活 能的数据报道。 辩d ” s 口e 日 躲鹊 图1 1g a n a l g 削场效应晶体管中的低频噪声性质的大致轮廓 文献p 州综述了g a nh f e t 中的低频噪声研究进展。g a n 基h f e t 中的低频噪声 表现为1 f 噪声和g - r 噪声的叠加，图1 1 为其大致轮廓。g a n 基h f e t 中影响1 f 噪声 的因素主要有：衬底；栅极漏电流；栅偏压；a l g a n 层中的a l 组分；沟道的搀杂； 表面钝化和器件的帽层等。其中禁带中的陷阱中心，表面状况、材料的体效应、 位错、隧穿过程、沟道电阻分布的不平衡性、量子效应等都有可能成为噪声源， 但器件中的噪声往往是几种源共同作用的结果。目前主要的1 f 噪声模型为迁移率 涨落模型和数涨落模型，但由于影响噪声的因素繁多，对所有器件的1 躁声还没 有一个统一的模型。利用低频1 f 噪声与这些因素的关系也可以一步步地控锗4 g a n h f e t 器件的生产工艺流程和用于评估其的可靠性。s l r u m y a n t s c v 【蛐】等人对于 第一章绪论 5 g a n h f e t 中的g r 噪声进行了分析。通过研究不同温度下的低频噪声特性，发现 g r 噪声很可能源于舢g a n 层。 总之，g a n 薄膜中的l f 噪声是非常高的。胡格常数a 比g a a s 外延层的a 高几 个数量级。导带和价带边缘的很大的位错密度和带尾态密度是产生噪声的来源。 另一方面，在有很高沟道电子浓度的g a n a l g a nh f e t s 、m o s h f e t s 和g a n m e s f e t s 中，1 f 噪声却是很低，其中胡格常数a 的值与同类型的g a a s 器件有相同 的数量级( 1 0 0 1 0 巧) 。在重掺杂的g a n 层的噪声抑制机理正在研究中，因此基于 对1 f 噪声机理的进一步理解有望用于降低器件中的噪声。 关于g a n 基发光二极管的低频噪声报道在近几年才出现。文献 4 1 】【4 2 1 研究表明， g a n 基发光二极管的低频噪声主要为l f 噪声和哥r 噪声。其中在低电流区域，低 频噪声主要表现为l f 噪声和g r 噪声的叠加，在高电流区域则主要表现为l ，f 噪声。 而1 f 噪声又包括来自于扩散电流的扩散1 f 噪声，主要是器件迁移率涨落造成少 子扩散电流涨落引起的，从本质上是不可以消除的，称为基本l f 噪声，其与电流 的关系为墨o c j ；另一组分的l 理噪声是来源于串联电阻的非基本l 理噪声，从本 质上看是不可以完全消除的，又被称为非基本1 f 噪声，其与电流的关系为舅* j 2 。 s s a w y c r 等人【4 3 】定义了发光二极管的噪声质量因子： c， 户= 争力二k ( 1 - 1 ) i d q 其中厂为测试的频率，珂为串联在一起的芯片个数，f 为辐射寿命，g 为电荷电量。 这个参数和胡格常数的作用是相似的，用来衡量半导体材料和器件的质量。在发 光二极管中， 0 f g ) 毛e d 是载流子总数。 后来作者m 又对比了3 4 0 砌和 2 8 0 n m g i n 基发光二极管和其它的商用紫外和可见发光二极管的低频光噪声，发现 g a n 基发光二极管相比卤灯具有较低的噪声水平，并利用式( 1 1 ) 计算了g a n 基 紫外发光二极管的噪声质量因子，研究结果表明其与g a n 基可见发光二极管的噪 声质量因子有相同的数量级。s l r u m y a n t s e v 在前期工作的基础上，比较了g a n 基紫外发光二极管的电噪声与光噪声的关系，研究结果表明器件中的l f 噪声有两 种不同的来源：发光二极管的有源区和串联电阻区，这和文献】的研究结果是一 致的。 s ，l r u m l t s 吖等人【4 6 】后来测试了h g a n g a n 基量子阱绿光发光二极管的低 频光噪声，噪声为典型的1 f 噪声。且噪声与发光二极管的量子效率和复合电流有 密切关系，一般情况下，噪声越大，器件的量子效率就越低，复合电流就越大，因 6 氮化镓基发光二极管的低频噪声研究 此，发光二极管的光噪声和器件中的非辐射复合中心是密切相联系的。文中作者测 试了低频光噪声与器件发光波长的关系，研究发现，相对噪声功率谱密度随着发光 波长的减小而增大，在不同波长下的涨落是相互联系的，这是由于载流子在量子阱 中的迅速扩散而造成的。因此低频噪声可用于发光二极管的可靠性研究。 1 3 论文结构 本课题通过检测g a n 基l e d 中的低频噪声，建立材料中缺陷与低频噪声的相 关模型，进而深入分析低频噪声的类型、幅值、产生机理。在以上研究的基础上， 探索低频噪声用于氮化镓材料缺陷和器件可靠性表征的可行性。 为此，本文将分为五章对研究主题进行论述，各章内容安排如下。第一章就 本课题的研究背景、国内外研究动态进行了概述。第二章简要介绍了与本论文相 关的背景知识。第三章详细介绍了本文的实验方案、实验测试和实验所得数据的 变化规律。第四章主要是针对实验规律建立的相应噪声模型，找出不同类型噪声 随辐照剂量的变化规律，分析了其物理机制及相互关系。最后，在第五章简要概 括了论文的主要工作及结论，并展望了下一步工作。 第二章背景知识 2 1 1g a n 基材料特性圄 第二章背景知识 2 1g a n 基材料与器件 7 g a n 属i i i v 族氮化物材料，是一种极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料 ( 熔点约为1 7 0 0 ) 。通常条件下，g a n 以六方对称性纤锌矿2 h 结构( 图2 1 ) 存 在，它在一个元胞中有4 个原子，原子体积大约为g a a s 的一半。但在一定条件下也 能以立方对称性的闪锌矿3 c 结构( 图2 2 ) 存在。从晶体学上讲，两种结构的主要 n 图2 1 纤锌矿结构的氮化镓图2 2 闪锌矿结构的氮化镓 区别在于沿( 1 1 1 ) 晶向原子层的堆垛次序不同。六方g a n 的晶格常数口= o 3 1 8 9 胛m ， c = o 5 1 8 5 ”掰；立方g a n 的晶格常数公认的数值为o 4 5 2 删左右。g a n 在室温下不 溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。n a o h 、h 2 s 0 4 和h 3 p 0 4 能较快地腐蚀质量较差的g a n ，可用于质量不高的g a n 晶体的缺陷检测。g a n 在h c l 或h 2 气氛下在高温中呈现出不稳定特性，而在n ，气氛下最为稳定。g a n 的电学性 质是决定器件性能的主要因素。非故意掺杂的g a n 样品一般都存在较高( 1 0 ”伽。) 的n 型本底载流子浓度，一般认为这是由于氮空位引起的。现在好的g a n 样品的n 型本底载流子浓度可以降低到1 0 “c m 。左右，室温下的电子迁移率可以达到 9 0 渤1 2 矿s 。采用a l g a n 船a n 异质结构可以提高电子迁移率，这种提高归因于异 质结界面处形成的二维电子气( 2 d e g ) 。 氮化镓基发光二极管的低频噪声研究 表2 1q n 材料与其它半导体材料的性质比较 半导体材料 特性单位 硅 砷化镓磷化铟碳化硅 氮化镓 禁带宽度 e v1 11 4 2 1 3 52 33 4 4 3 0 0 k 电子c f 2 v b1 5 0 08 5 0 05 4 0 07 0 01 0 0 0 迁移率2 0 0 0 饱和电压c v s 1 0 1 31 o2 o1 3 临界击穿m v f c m o 3o 4o 5 3 03 o 场效 热传导系 v k1 5o 5 o 74 5 1 5 数 介电常数 s 1 1 81 2 8 1 2 51 0 o9 o 表2 1 是g a n 材料与其它半导体材料的特性比较。可见，g a n 是一种宽带隙 化合物半导体材料，具有发射蓝光、高温、高频、高压、大功率和耐酸、耐碱、 耐腐蚀等特点，是继锗、硅和砷化镓之后最主要的半导体材料之一。使得它在蓝 光和紫外光电子学技术领域占有重要地位，也是制作高温、大功率半导体器件的 理想材料。 2 1 2g a n 基器伊1 】 作为一种具有独特光电属性的优异半导体材料，g a n 的应用市场可以分为两 个部分：( 1 ) 凭借g a n 半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用 产品。目前g a n 光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度发光二极管 以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势，相关的商业专利己经有2 0 多项， 涉足g a n 半导体器件商业开发和制造的企业也越来越多。( 2 ) 凭借g a n 半导体材 料在高温、高频、大功率工作条件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半导体 材料器件；其中高亮度发光二极管、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造商 和投资商最为感兴趣和关注的三个g a n 器件市场。 1 发光二极管 目前发光二极管的制造技术已经比较成熟并且已经初步商品化。1 9 9 6 年，日 本n i c h i a 公司的高亮蓝光二极管已经达到3 c d 的亮度，绿光达到l o c d ，光输出功率 分别达6 o m w 和4 o m w 。2 0 0 3 年，紫光二极管美国c i 公司已经报道了1 2 0 m w 的光 输出功率。自光二极管的制造技术也逐渐成熟，亮度达5 0 至6 0 c d 。如果白光二极 管实现商品化，则会带来更大意义的一场变革一照明技术的革命，目前美国、日 本、韩国都十分重视其发展，我国也制定了自己的“半导体照明计划”。 第二章背景知识 9 2 蓝、紫色激光器 1 9 9 9 年初，n i d l i a 公司开始商业化生产用m g a n 制作的紫色激光器，其输出功 率为5 m w ，发射波长为4 0 0 力m ，工作寿命超过1 0 0 0 0 小时。最近他们又开发出了室 温下连续工作功率达3 0 m w 的激光器，波长为4 0 5 姗。d v d 的光存储密度与半导体 激光器的波长平方成反比，如果d v d 使用g a n 基短波长半导体激光器，则其光存 储密度将比当前使用g a a s 基半导体激光器的同类产品提高4 5 倍，因此，宽禁带 g a n 半导体技术还将成为光存储和处理的主流技术。 3 紫外探测器： 著名的a p a 公司的g a n 基u v 光探浏器已经实现商品化，并借助于他们在g a n 基f e t 器件领域的领先技术，正在开发探测器f e t 混合器件。 国内对g a n 材料的研究开展得较晚，跟国际上的最高水平相比有着较大的差距， 但近年来也取得了显著的进展，目前蓝光发光二极管已有实验室样品，并且正在 走向产业化。绿光、紫光二极管也已制出样管。白光二极管的制造技术也将一步 步走向成熟。 4 电子器件 自1 9 9 4 年a l g a n g a nh e m t 器件问世以后，经过4 5 年的基础研究，从1 9 9 9 年起每年都有突破性的进展，短短的十年间，g a n 功率h e m t 器件从无到有，已经 突破1 0g h z 4 0w 和2g h z2 3 0w 的大关。g a nh e m t 有( 1 ) 较高的工作温度。有文 献报道g a n 基h f e t 在约1 0 0 0 k 的高温下仍然保持良好的直流特性；( 2 ) 较高的工作 偏压。因为g a n 饱和电子漂移速率较高，在较高的漏偏置下，器件仍可有较好的性 能；( 3 ) 较高的二维电子气浓度。二维电子气浓度可达l 1 0 ”硎- 2 ，比g a a s a l g a a s 异质结高出一个数量级。 g a nh e m t 拥有如此出色的功率特性，但仍没有实现商品化，除了与其相竞 争的半导体器件己经牢牢占据了市场，其成本较高以及人们心理层面的问题外， 最重要的还是因为还有需要解决的问题。相对于s i 和其它i i i v 族技术，如s i c 技 术，g a n 技术仍不成熟。而且，对g a nh e m t 的长期稳定性和可靠性也了解甚少。 g a nh e m t 漏极电流受频率影响而发生变化，存在漏极电流崩塌现象。该现象影 响器件的最大? 漏极电流，使其远小于同一或相似器件直流情况下所得到的最大 电流。与其它射频晶体管竞争，g a nh e m t 必须解决以下几个问题：首先是技术 的成熟，包括器件长时间工作的稳定性和可靠性。其次为成本，即g a nh e m t 的 优越性能应该能够让用户承担的起。即使g a nh e m t 的成本比诸如g a a sh e m t 等 器件高，但全部系统的成本可能会由于g a nh e m t 的优点，如小尺寸、低制冷花 费等而降低。最后是心理方面的问题，人们总是倾向于拒绝新技术。此时，需要 1 0 氮化镓基发光= 极管的低频噪声研究 简单有效且令人信服的推广。尽管现阶段其制造技术仍然不成熟，但预计一旦在 衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展。 2 2 1 衬底 2 2g a n 基发光二极管的工型4 7 】 衬底对i 族氮化物的极性及极化作用的影响很重要。高质量的外延膜所需的 化学反应和条件与晶体的极性有关。在很多情况下，衬底决定外延材料晶体的极 性、应力大小与种类( 张应力或压应力) ，以及极化效应的程度。用不同的外延生长 技术，可以对这些性能进行适当的调整，如用蓝宝石衬底，可以生长任一极性的 g a n 膜。外延在异质衬底如蓝宝石和s i c 上的g a n 失配位错和线性位错密度一般为 1 0 8 c ，l _ 2 1 0 - 1 0 册_ 2 ，而s i 的同质外延的位错密度接近于零，g a a s 同质外延的密度 为1 0 2 硎- 2 1 0 4 绷_ 2 ，g a n 中其它的晶体缺陷还包括反向畴晶界、堆垛层错。这些 缺陷可以作为非辐射复合中心，会在带隙中引入能量态和降低少数载流子的寿命。 杂质在线性位错的附近扩散比在体材料中更迅速，导致了杂质的不均匀分布，因 而降低p n 结的陡峭性。由于g a n 高的压电常数，在线性位错周围的本征应力导致 电势和电微小的变化。这类缺陷一般不是均匀分布，因此此类材料或由此类材料 制成的器件的电学性能和光学性能也就不均匀。缺陷会提高器件的阂值电压和反 向漏电流，减少异质结场效应晶体管面载流子浓度，降低载流子迁移率和热导率。 这些不利效应将射频理想性能的复杂结构的、大面积大功率器件的制备。不管选 择什么衬底，衬底的许多不足之处如晶体质量及与g a n 的结合性差等可以通过适当 的表面处理得到改善，如氮化、沉积低温a l n 或g a n 缓冲层、插入多层低温缓冲层， 侧向外延，悬空外延及其它技术。通过此类技术的使用，可以降低g a n 外延层的位 错密度。 g a n 材料由于缺乏合适的体单晶衬底，只有采用异质外延技术。商业化的半导 体绝大多数是采用体材料，g a n 材料是一个例外，它用异质外延材料成功地做成了 器件。在蓝宝石衬底上制备出g a np n 结l e d 之前，大家都认为不管是什么样的半 导体，要想获得高的发光效率，其位错密度度要低，至少小于1 0 6 c m - 2 。使研究人 员感到吃惊的是，虽然g a n 材料的位错密度高达l o ”c 埘- 2 ，但由该材料做成的l e d 观察到了很好的发光效率。g a n 材料中的位错不会显著降低其光学和电学性能。目 前g a n 蓝光l e d 普遍使用的衬底材料是蓝宝石，虽然衬底与g a n 外延层之间存在巨 大的晶格失配和热失配。若用g a n 做成其它器件，如激光器二极管或是大面积、大 功率器件，如此高的位错密度就对此类器件非常有害的。另外，虽然蓝宝石能进 第二章背景知识 行多种加工，但其固有的性质会影响到外延材料的性质。g a n 异质外延，其质量受 衬底的影响很大，衬底材料的选择，一般认为晶格匹配是决定性因素。科研工作 者对大量的材料进行过g a n 生长，包括绝缘的金属氧化物、金属、金属氮化物和其 它的半导体材料。除了晶格常数以外，材料的晶体结构、表面完美性、组成、稳 定性、化学性能和电学性能也是决定其是否能做衬底的重要因素，因为它们会严 重影响外延层的性能。g a n 的晶体方向、极性、表面形貌、应力和缺陷浓度由所采 用的衬底决定，也就是衬底的性能会最终决定器件的性能。 2 2 2g a n 晶体的外延生长 现在使用的g a n 材料是外延生长的。1 9 6 9 年，m a m s k a 等人利用气相输运方法 首次外延生长出g a n 单晶薄膜。在该方法中，h c l 蒸汽流过液态g a ，生成g a c l 并继 续向下流动，在衬底上g a c l 与n h 3 混和，发生下列化学反应： g a c l 岫一g a n + h c l + h 2 由于生长速率很高( o 5 u l n 抽i n ) ，能够淀积超厚薄膜。然而，用气相输运生长的g a n 薄膜有很高的n 型背景载流子浓度，其值可达1 0 1 9 c 1 1 l o ，用改进的方法可以将ga _ n