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InN薄膜的MBE法生长及其NiO组合异质结器件研究

赵洋  
【摘要】:InN是Ⅲ族氮化物半导体材料体系中重要的组成部分,在Ⅲ族氮化物中具有最小的有效电子质量,最高的电子迁移速率和饱和电子漂移速率等优良特性,被广泛应用在高效太阳能电池,红外探测器以及太赫兹器件等领域。特别是其较窄禁带宽度(~0.7e V)得到实验的验证,使得Ⅲ族氮化物材料体系的发光波长从深紫外延伸到了近红外,为Ⅲ族氮化物器件的发展又增加了许多新的方向。然而,由于InN材料具有较低的分解温度以及较高的N_2平衡蒸汽压,使得高质量InN薄膜材料的获得比较困难,严重阻碍了InN材料与器件的研究进展,因此制备出高质量的InN薄膜材料,使之能够用于器件研发是我们需要解决的难题;另一方面,由于InN具有很强的表面电子积聚效应,使得InN材料的p型掺杂难以稳定实现,阻碍了InN基光电子器件的发展。因此我们有必要尝试利用其它成熟的p型半导体材料与n-InN组合来构筑InN基异质结器件。NiO作为一种天然的p型半导体材料,具有良好的化学稳定性及较低的电阻率和制备成本,广泛地应用于透明导电薄膜、紫外探测器及气敏传感器等领域。由此我们提出选用NiO作为p型材料与n-InN组合制备InN基异质结器件,这为InN基发光器件的研究提供了一种新的途径。本论文基于等离子辅助MBE技术,重点围绕InN薄膜材料的外延生长以及InN与NiO组合异质结器件制备两方面进行研究,具体内容如下:1.采用等离子辅助MBE技术在Al_2O_3衬底上制备了InN薄膜材料。研究了衬底氮化对外延生长InN薄膜特性的影响,实验结果表明在InN薄膜的外延生长过程中引入衬底氮化过程,可以有效地降低衬底与外延层之间的晶格失配,改善薄膜的表面形貌、结晶、光学及电学特性。分析了In源温度、N_2流量以及外延温度等生长参数对InN材料特性的影响,获得了优化的生长条件。在In源温度为650℃、N_2流量为3sccm、外延温度为460℃时制备的InN薄膜表现出二维层状模式生长,薄膜表面光滑平整,InN(0002)面ω扫描半峰宽为540arcsec,其室温PL谱展现出明显的近红外发光峰,电子迁移率达到了519cm2/v.s,这为后续InN在异质结器件中的应用奠定了基础。2.采用磁控溅射方法在Al_2O_3和Si衬底上制备了NiO薄膜材料。研究了溅射温度及氧分压对NiO材料特性的影响,得到了优化的制备条件。当溅射温度为300℃及氧分压为40%时制备的NiO材料具有较好晶体质量和电学特性,为后续NiO在异质结器件中的应用奠定了基础。3.采用PAMBE结合磁控溅射方法在InN外延层上制备了NiO薄膜材料。研究了InN外延层对NiO材料特性的影响。相比于直接沉积在Ga N/Al_2O_3衬底上的NiO样品,沉积在InN外延层上的NiO呈现出一个合并性较好的表面且单一取向生长,薄膜呈现出良好的p型导电特性。4.采用PAMBE结合磁控溅射方法在Al_2O_3衬底上制备了p-NiO/n-InN/Al_2O_3异质结发光器件。测试结果表明制备的InN薄膜具有良好的晶体质量及光学特性。器件具有典型的整流特性,并在室温条件下实现了InN材料在1565nm处的近红外电致发光。通过与PL谱对比发现,该器件的EL谱与InN的PL谱的发光范围基本一致,峰型类似,因此推断出该近红外电致发光来源于InN的带边辐射复合发光。5.采用PAMBE结合磁控溅射方法在Ga N/Al_2O_3衬底上制备了n-InN/p-NiO/p-Ga N/Al_2O_3异质结发光器件。测试结果表明生长在NiO纳米颗粒上的InN具有较光滑且致密的纳米点状结构,其中一些纳米点合并形成小岛或者不连续的薄膜。器件具有典型的整流特性,在正向电流注入时,器件展现出明显的近红外发光,发光峰位于1565nm左右。并且随着注入电流从30m A增加到75m A,器件的发光峰强度表现出明显的增强。通过与PL谱的比较,可以推断出器件EL谱中的近红外发光来源于InN层的禁带边辐射复合发光。6.采用PAMBE结合磁控溅射方法在Si衬底上制备了n-InN/p-NiO/p-Si异质结发光器件。测试结果表明InN具有c轴择优取向,NiO具有单一的(200)择优取向。生长在NiO颗粒上的InN表现为不连续的薄膜形貌而不是纳米点状结构。器件具有典型的整流特性,在正向电流注入时,器件表现出明显的近红外发光,发光峰位于1565nm左右。随着注入电流的增加,器件的发光峰强度表现出明显的增强。通过与PL谱的比较,可以推断出该器件EL谱中的近红外发光来源于InN层的禁带边辐射复合发光。此外,通过对该器件长时间直流工作下的EL测试,考察了器件发光性能的稳定性,并对器件特性劣化的原因进行了分析。


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