AlGaN-GaN超晶格p型摻雜及輸運特性研究.pdf

1、作為第三代半導體材料的代表，GaN材料具有大禁帶寬度(0.75～6.2eV)、強極化效應(yīng)(GaAs的4～5倍)、高臨界場強(2MV/cm)、高載流子飽和速率(2×107cm/s)和高熱導率(1.3W/cmK)等優(yōu)異的特點。GaN材料以及基于GaN材料的各種器件在近十年中得到了系統(tǒng)和深入的研究。目前GaN微波功率器件已經(jīng)在軍用雷達和航天領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用；在民用領(lǐng)域中，各種GaN LED和LD器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車電子和高端照明設(shè)備。但

2、是GaN基器件，尤其是AlGaN/GaN多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與開發(fā)仍然存在著較多的問題值得深入的研究。特別是AlGaN/GaN超晶格由于能夠通過調(diào)節(jié)Al組份和周期長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)來人為的控制器件的能帶形狀，因而在高頻振蕩器、發(fā)光器件和探測器等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。此外GaN基材料現(xiàn)在仍然面臨著許多的問題，特別是GaN材料的p型摻雜始終沒有很好的解決，這一問題嚴重的制約著HBT和LED等需要高質(zhì)量p型材料器件的發(fā)展。本文正是在這一背景下，針

3、對超晶格結(jié)構(gòu)的特點在超晶格p型摻雜以及外加太赫茲電場下的穩(wěn)態(tài)非線性響應(yīng)兩個方面進行了研究。
　　 在超晶格p型摻雜方面，本文在分析了現(xiàn)有GaN p型摻雜技術(shù)所面臨的困難與不足后，提出了利用超晶格結(jié)構(gòu)提高GaN材料p型摻雜效果的方案。隨后系統(tǒng)的研究了超晶格結(jié)構(gòu)摻雜的機理，分析了超晶格周期長度和Al組份對摻雜效果的影響。優(yōu)化了MOCVD技術(shù)生長摻Mg AlGaN/GaN超晶格的實驗條件，通過Hall、PL譜、HRXRD和AFM測試驗

4、證了AlGaN/GaN超晶格摻Mg方案的有效性。取得了以下關(guān)于AlGaN/GaN超晶格摻Mg的成果和結(jié)論：
　　 1.超晶格的空穴微帶效應(yīng)和界面應(yīng)力是超晶格結(jié)構(gòu)增強p型摻雜效果的機理。超晶格形成的空穴微帶能夠降低AlGaN材料中受主元素的激活能，使得受主的離化率得到提高。同時界面張應(yīng)力的存在使得受主Mg 更容易摻入勢壘層中。
　　 2．極化效應(yīng)和界面應(yīng)力引起的高導帶斷續(xù)對AlGaN/GaN超晶格的空穴微帶有較大的影響?？?/p>

5、慮極化效應(yīng)和界面應(yīng)力時AlGaN/GaN超晶格的平均空穴濃度比不考慮這些效應(yīng)時高約一個量級。
　　 3．通過實驗驗證了對于極化效應(yīng)和界面應(yīng)力作用的理論分析和計算，優(yōu)化了超晶格周期長度、Al組份和反應(yīng)室壓力等參數(shù)。認為高的反應(yīng)室壓力、Al組份以及約十納米的超晶格周期長度有利于摻雜效率的提高。
　　 4．獲得了電阻率為0.31Ω·cm，空穴濃度為4.36x1018/cm3的AlGaN/GaN超晶格樣品。這一結(jié)果優(yōu)于目前GaN

6、體材料p型摻雜的結(jié)果，證明了超晶格結(jié)構(gòu)在p型摻雜中的作用，這一結(jié)果對于LED和HBT等器件具有一定的應(yīng)用價值。
　　 在AlGaN/GaN超晶格在外加太赫茲電場下的穩(wěn)態(tài)非線性響應(yīng)方面，本文進行了以下的工作：
　　 首先，針對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的特點，建立了包含界面應(yīng)力和極化效應(yīng)的導帶斷續(xù)模型。使用單個勢阱中電子的基態(tài)波函數(shù)作為基，利用緊束縛模型構(gòu)建了AlGaN/GaN超晶格的色散模型，并對各種條件下的色散關(guān)系進行了