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非极性GaN基半导体材料的MOCVD生长与探测器研究

贾辉  
【摘要】:氮化镓(GaN)基半导体材料是直接宽禁带材料,具有压电和热电性质优异、物理化学性质优良等优点。近年来在紫外探测器,蓝绿光发光二极管,太阳能电池,激光器,以及高温、大功率、高频电子器件方面有着广阔的应用前景。现在大部分器件是在极性c面(0001)GaN基材料上制作的,存在量子斯塔克效应。由于非极性GaN基器件能消除极化效应产生的内建电场,克服电子空穴空间分离的问题,提高器件的发光效率,稳定发光波长,减小开启电压。自2000年非极性器件取得突破以来,非极性GaN基材料和器件成为了当今研究热点。由于缺少同质衬底,非极性GaN基材料主要是通过异质外延得到,因此外延薄膜与衬底有各向异性的晶格失配和热失配。本论文重点研究了不同的外延生长条件对外延生长非极性的GaN基材料性质与应变的影响。 GaN与AlN组成的三元合金AlGaN禁带宽度可以在3.4eV~6.2eV之间连续调节,并且任意组分的AlGaN三元合金都是直接带隙,这就为紫外探测器的制作提供了优良的材料基础。随着Al组分的增加,GaN基紫外探测器的工作波段可以从可见光盲转向日盲,而且日盲紫外探测器也是目前国际上的研究热点。由于非极性材料各项异性的光学性质与晶体面的不对称性,非极性的半导体材料可以制作与偏振相关的探测器(偏振敏感探测器)和发光器件。这种具有偏振敏感性的探测器在无需滤光片的前提下,当2个或4个探测器不同的微分配置的情况下可以进行偏振选择性与窄带探测,本文也对非极性a-AlGaN深紫外MSM探测器进行了研究。 主要的研究内容和成果如下: 1.研究了高温Al化蓝宝石衬底AlN的MOCVD生长。在Al化蓝宝石衬底的时间分别0s,2s,20s,60s的情况下采用两步生长法得到了单晶的AlN外延薄膜。样品的表面形貌在适当的Al化时间下可以得到改善,应力状态也随Al化时间的改变发生了显著的变化。 2.研究了外延初始化条件对非极性a-GaN残余应变的影响。实验结果表明:采用AlN缓冲层比氮化蓝宝石衬底更有助于改善a-GaN外延层的结晶质量和应力的释放。 3.研究了AlN插入层对非极性a-AlGaN外延层的晶体质量、表面形貌、残余应变及光学特性的影响。采用AlN插入层可明显降低a面AlGaN薄膜面内应力和提高晶体质量;而应力的释放使非极性a-AlGaN的发光峰发生了红移。 4.在材料研究的基础上首次研制了a面AlGaN-MSM紫外探测器。主要研究了二氧化硅纳米颗粒对探测器暗电流和光响应特性的影响。溅射SiO2纳米颗粒后器件在298nm处a-AlGaN深紫外MSM型探测器的峰值响应度达到0.383mA/W,到320nm处a-AlGaN深紫外MSM型探测器的响应度下降了4个数量级,显示出了良好的光谱选择性。在5V偏压下,溅射SiO2纳米颗粒器件的暗电流下降了一个数量级,响应度峰值提升了接近3个量级。


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