GaN外延薄膜點缺陷與材料電學光學性質(zhì)關(guān)系研究.pdf

1、GaN材料作為一種第三代半導(dǎo)體材料,具有寬禁帶、高電子飽和漂移速度和高擊穿場強等優(yōu)點,目前被廣泛用于研制各種光電器件和高溫、高頻微波大功率器件。器件級的GaN材料大多數(shù)都是在異質(zhì)襯底上用MOCVD的方法外延得到的。由于襯底和GaN外延層之間存在較大的晶格失配和熱失配,以及材料的生長方式,導(dǎo)致GaN外延層中存在很多的缺陷,這些缺陷主要包括高密度的位錯和各種點缺陷。高密度的缺陷會影響器件工作的方方面面,因此探究不同種類的缺陷對材料和器件產(chǎn)生

2、的不同影響,以及如何獲得低缺陷密度的GaN材料是本領(lǐng)域的研究重點。GaN材料作為一種新型的半導(dǎo)體材料,人們對材料特性的研究仍然不夠充分,與GaN材料相關(guān)的很多物理機理需要得到進一步的研究。
　　 本文的重點是研究GaN材料的點缺陷對GaN薄膜光學和電學性質(zhì)的影響。本文研究的實驗樣品,基本上全部是由擁有自主產(chǎn)權(quán)的西安電子科技大學的MOCVD生長獲得,借鑒國內(nèi)外研究的成果,結(jié)合理論分析,通過實驗手段,研究GaN中部分點缺陷的表征及物

3、理作用機理。本文的主要工作和成果如下:
　　 1.從GaN材料的電學特性著眼,研究了AlGaN／GaN HEMT材料的GaN外延層的漏電問題。首先確定漏電是因為GaN材料中的點缺陷提供的背景載流子造成的；接著,從理論的角度排除了GaN中可能起施主作用的氮空位(VN)、氮間位(Ni)、鎵間位(Gai)、氮反位(NGa)這些本征點缺陷是非故意摻雜的呈n型GaN薄膜中背景載流子的主要來源；接下來,用SIMS手段表征GaN薄膜中的雜質(zhì)缺

4、陷,通過比較分析,得出了O雜質(zhì)是非故意摻雜的GaN外延層中n載流子主要來源的結(jié)論,并指出O元素主要來源于藍寶石襯底的分解。
　　 2.通過多組的對比實驗和因素排除,得出在GaN外延層C、O含量均較低的材料中,掩埋電荷層是GaN外延層漏電主導(dǎo)因為的結(jié)論。同時,分析得出螺位錯密度和成核層的質(zhì)量是影響襯底O雜質(zhì)向上擴散的主要因素。另外,通過XPS的表征手段,揭示了GaN外延層中n型背景載流子會被少量的C元素補償?shù)默F(xiàn)象,并詳細說明了C元

5、素的作用機理。
　　 3.發(fā)現(xiàn)了C雜質(zhì)的含量與黃帶發(fā)光強度有著一致性的聯(lián)系。選取了具有代表性的7個結(jié)構(gòu)不同、C含量不同的樣品,對它們的黃帶發(fā)光強度和C含量進行了比對,得出了C雜質(zhì)是黃帶的主要來源的結(jié)論。并對C元素導(dǎo)致黃帶做了物理機理分析,指出n型GaN內(nèi)的C雜質(zhì)受光激發(fā)后由非平衡態(tài)CN0向穩(wěn)定態(tài)CN-1復(fù)合時輻射,可能是黃帶發(fā)射的主要因為。
　　 4.提出了一種間接判斷鎵空位(VGa)濃度的表征方法,通過Ⅴ／Ⅲ比生長數(shù)據(jù)

6、比較法,n型載流子濃度SIMS測試法和Ga／N比值XPS測試法這三種方式來組合分析鎵空位(VGa)的相對濃度。
　　 5.比較分析了不同樣品C含量不同的因為。分別指出MOCVD比HVPE生長方法得到GaN材料中C含量高是因為源的因為；用C雜質(zhì)結(jié)合模型解釋了非極性a面GaN比極性c面GaN中C含量高是因為晶面的因為,a面GaN中的N位更容易被C原子所替代；指出了Fe原子因為體積更大對N位保護作用更好,從而減少了C的含量。