GaN基HEMT和LED結(jié)構(gòu)的光電特性研究.pdf

1、自上世紀(jì)50年代，以硅(Si)為代表的第一代半導(dǎo)體（元素半導(dǎo)體）材料開(kāi)始興起并廣泛應(yīng)用。它取代了笨重的電子管，促進(jìn)了以集成電路為核心的微電子工業(yè)和整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使人類(lèi)進(jìn)入“Si時(shí)代”。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體（化合物半導(dǎo)體）材料興起于上個(gè)世紀(jì)90年代。相對(duì)于第一代半導(dǎo)體材料，第二代半導(dǎo)體材料具有較高的電子遷移率及較大的禁帶寬度，能夠滿(mǎn)足人們?cè)诟哳l和無(wú)線通信等領(lǐng)域的需求。隨后，

2、以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)體）材料開(kāi)始受到人們的廣泛關(guān)注，并大規(guī)模應(yīng)用于微電子器件和光電子器件等領(lǐng)域。尤其是GaN基半導(dǎo)體材料，已成為半導(dǎo)體領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)。GaN基半導(dǎo)體材料的應(yīng)用主要集中在以下兩個(gè)方面:(i)用于制備高電子遷移率晶體管（High-electron-mobility transistor,HEMT），應(yīng)用于無(wú)線通信基站、衛(wèi)星、雷達(dá)、汽車(chē)電子、航空航天、核工業(yè)、軍用電子等國(guó)

3、民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域中;(ii)用于制備發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)，應(yīng)用于固態(tài)照明、背光源、顯示屏等諸多領(lǐng)域。
　　隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD)外延技術(shù)的發(fā)展，使得制備高質(zhì)量的GaN基半導(dǎo)體材料成為可能。盡管如此，GaN基半導(dǎo)體材料及相關(guān)器件的光電特性依然存在諸多問(wèn)題。如，GaN

4、基HEMT存在緩沖層漏電流(buffer leakage current，BLC)、電流崩塌效應(yīng)等問(wèn)題;GaN基LED存在大電流下效率低、黃綠光LED生長(zhǎng)困難等問(wèn)題。這些都與GaN基半導(dǎo)體材料的缺陷、應(yīng)力及載流子的輸運(yùn)機(jī)制有關(guān)。因此，深入研究并探討上述結(jié)構(gòu)或器件中的缺陷的起源和分布，闡明載流子的產(chǎn)生（注入）、輸運(yùn)和復(fù)合機(jī)制，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化材料生長(zhǎng)條件、提高器件的光電特性至關(guān)重要。
　　光譜表征手段是不可或缺的半導(dǎo)體表征手段，具有靈敏

5、度高、無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，能夠表征半導(dǎo)體材料合金的組分含量、雜質(zhì)缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷的類(lèi)型以及內(nèi)部載流子的產(chǎn)生（注入）、輸運(yùn)和復(fù)合機(jī)制等。本論文以光譜表征手段為主，輔以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)、透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)、霍爾(Hall)測(cè)試、Ⅰ-Ⅴ測(cè)試等表征手段，研究了GaN基HEMT和LED結(jié)構(gòu)的光電特性。
　　主要研究工作總結(jié)如

6、下:
　　（一）GaN外延層的光致發(fā)光(photoluminescence，PL)特性
　　本研究采用MOCVD的方法在藍(lán)寶石襯底上制備了GaN外延層，并利用PL測(cè)試詳細(xì)分析了GaN外延層的光學(xué)性質(zhì)。我們觀察探討了各發(fā)光峰的起源，包括與近帶邊(near band eage，NBE)相關(guān)的發(fā)光峰，如自由激子的基態(tài)發(fā)光峰(FXA)、第一激發(fā)態(tài)發(fā)光峰(FXB)，以及與缺陷相關(guān)的輻射峰，如紫外發(fā)光峰(ultraviolet lumi

7、nescence，UVL)、藍(lán)光帶（blue luminescence，BL）、黃光帶(yellow luminescence,YL)。
　　（二）氮化鋁(AlN)壘層厚度對(duì)AlN/GaN HEMT的光電特性的影響
　　通過(guò)HRTEM，AFM，PL和Hall測(cè)試研究了AlN壘層厚度對(duì)AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面形貌、材料質(zhì)量以及光電特性的影響。測(cè)試結(jié)果顯示，相對(duì)于具有3nm厚的AlN壘層的樣品，AlN壘層厚度為6nm的樣品有

8、以下特點(diǎn):Pit或Crack的密度更大且更深、缺陷相關(guān)的紫外發(fā)光峰(ultraviolet luminescence，UVL)強(qiáng)度更強(qiáng)、NBE發(fā)光峰強(qiáng)度更弱且峰位紅移、2DEG的濃度更大以及遷移率更小。研究結(jié)果表明，當(dāng)AlN壘層厚度從3nm增加到6nm時(shí)，應(yīng)力開(kāi)始釋放，在AlN/GaNHEMT的表面形成更多的Pit或Crack，這些Pit或Crack會(huì)從AlN/GaN HEMT的表面往下傳播（沿著生長(zhǎng)方向的反方向），甚至穿過(guò)界面到達(dá)Ga

9、N溝道層，降低了AlN/GaNHEMT的結(jié)晶質(zhì)量，導(dǎo)致與UVL相關(guān)的缺陷濃度的增加。盡管AlN壘層厚度增加能夠引起2DEG濃度增加，但是界面質(zhì)量變差導(dǎo)致的界面粗糙散射增強(qiáng)對(duì)GaN基HEMT的電學(xué)特性影響更大。
　?。ㄈ╄F(Fe)摻雜濃度對(duì)AlGaN/GaN HEMT的光電特性的影響
　　首先，利用MOCVD的方法在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了不同摻Fe濃度的AlGaN/GaN HEMT，摻Fe濃度分別為:0、1×1018和2×1

10、020cm-3。其次，通過(guò)PL、Hall測(cè)試和Ⅰ-Ⅴ測(cè)試等表征手段，研究了Fe摻雜濃度對(duì)AlGaN/GaN HEMT的光電特性的影響。研究結(jié)果顯示，與不摻Fe的AlGaN/GaN HEMT樣品相比，適當(dāng)摻Fe的AlGaN/GaN HEMT樣品(1×1018cm-3)會(huì)引入FeGa3+受主能級(jí)，使費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng)。這導(dǎo)致了PL譜中YL強(qiáng)度的減小及一個(gè)新的發(fā)光峰的出現(xiàn)—紅外(infrared，IR)發(fā)光峰。此外，還導(dǎo)致了Ⅰ-Ⅴ測(cè)試中BLC的

11、減小。當(dāng)GaN緩沖層摻入過(guò)量的Fe原子(2×1020cm-3)后，由于Fe源不純凈，能夠在GaN緩沖層中引入大量的氧(O)雜質(zhì)，O在GaN緩沖層中作為施主電離出自由電子，使費(fèi)米能級(jí)上移，同時(shí)FeGa3+捕獲電子導(dǎo)致FeGa3+濃度降低。最終，導(dǎo)致PL譜中YL強(qiáng)度增加和IR發(fā)光峰強(qiáng)度降低以及Ⅰ-Ⅴ曲線中的BLC增加。通過(guò)研究PL特性和Ⅰ-Ⅴ特性的內(nèi)部機(jī)制，為進(jìn)一步通過(guò)光學(xué)測(cè)量手段分析GaN基HEMT自由載流子的內(nèi)部機(jī)制，提供了簡(jiǎn)單而有效的

12、方法。
　　（四）低溫(low-temperature，LT)p-GaN插入層對(duì)GaN基藍(lán)光的光電特性的影響
　　利用MOCVD的方法在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了兩個(gè)GaN基藍(lán)光LED樣品（有和無(wú)LT p-GaN插入層），并分別測(cè)試了不同溫度(6-300K)和不同功率下兩樣品的PL和電致發(fā)光(electroluminescence，EL)譜，研究了LT p-GaN插入層對(duì)GaN基藍(lán)光LED的光電特性的影響。測(cè)試結(jié)果顯示，兩樣品的

13、PL特性基本相同，但是其EL特性差別較大。相對(duì)于有LT p-GaN插入層的GaN基藍(lán)光LED樣品，沒(méi)有LT p-GaN插入層的GaN基藍(lán)光LED樣品的EL峰位明顯紅移，且伴隨著強(qiáng)度和線寬的增加。同時(shí)，有LT p-GaN插入層的GaN基藍(lán)光LED樣品的量子限制斯塔克效應(yīng)(quantum confined Stark effect，QCSE)的屏蔽效應(yīng)減弱，但是峰位“S-形”的溫度依賴(lài)性變化趨勢(shì)更顯著，此外，有LT p-GaN插入層的GaN

14、基藍(lán)光LED樣品的外量子效率（external quantum efficiency，EQE）明顯提高，尤其是在大的注入電流下，效率下垂(efficiency droop)得到6％的改善。通過(guò)對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，我們發(fā)現(xiàn)LT p-GaN插入層的導(dǎo)入能夠提高GaN基藍(lán)光LED光電特性的，主要原因包括:(ⅰ)阻止生長(zhǎng)p-AlGaN電子阻擋層時(shí)的高溫對(duì)MQWs的破壞（主要指最后一個(gè)阱層），從而防止InGaN阱層的In揮發(fā)，提高了InGaN阱

15、層的局域效應(yīng);(ⅱ)減少M(fèi)QWs中的應(yīng)力，降低QCSE，從而增大了電子-空穴的波函數(shù)交疊;(ⅲ)阻斷來(lái)自底層的結(jié)構(gòu)缺陷向上傳播，提高后續(xù)生長(zhǎng)的p-AlGaN電子阻擋層和p-GaN接觸層的結(jié)晶質(zhì)量。
　?。ㄎ澹┭芯苛薌aN基綠光LED的光電特性。
　　首先，利用MOCVD的方法在Si襯底上外延生長(zhǎng)了GaN基綠光LED樣品，其次，測(cè)試了不同溫度和不同注入電流下樣品的EL特性，研究了GaN基綠光LED樣品的光電特性。研究結(jié)果表明，

16、在較低的注入電流范圍內(nèi)，增加溫度能影響EL譜的注入電流依賴(lài)性。在低溫范圍內(nèi)，如6K，隨注入電流的增加，MQWs的輻射過(guò)程中，低能局域態(tài)填充先起支配作用;當(dāng)溫度升高至中間溫度時(shí)，如160K，在低注入電流范圍內(nèi)隨著注入電流的增加，輻射過(guò)程先后受到QCSE的屏蔽效應(yīng)和低能局域態(tài)填充效應(yīng)的支配;但是當(dāng)溫度升高至高溫范圍內(nèi)，如350K，隨注入電流的增加，輻射過(guò)程先受到散射效應(yīng)的支配，隨后受非輻射復(fù)合效應(yīng)的支配。同時(shí)，與GaN基藍(lán)光LED相比，Ga