GaN基HEMT和LED結構的光電特性研究.pdf

1、自上世紀50年代，以硅(Si)為代表的第一代半導體（元素半導體）材料開始興起并廣泛應用。它取代了笨重的電子管，促進了以集成電路為核心的微電子工業(yè)和整個IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使人類進入“Si時代”。隨著半導體行業(yè)的發(fā)展，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導體（化合物半導體）材料興起于上個世紀90年代。相對于第一代半導體材料，第二代半導體材料具有較高的電子遷移率及較大的禁帶寬度，能夠滿足人們在高頻和無線通信等領域的需求。隨后，

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

3、民經(jīng)濟和國防建設領域中;(ii)用于制備發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)，應用于固態(tài)照明、背光源、顯示屏等諸多領域。
　　隨著材料生長技術的發(fā)展，尤其是金屬有機化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD)外延技術的發(fā)展，使得制備高質(zhì)量的GaN基半導體材料成為可能。盡管如此，GaN基半導體材料及相關器件的光電特性依然存在諸多問題。如，GaN

4、基HEMT存在緩沖層漏電流(buffer leakage current，BLC)、電流崩塌效應等問題;GaN基LED存在大電流下效率低、黃綠光LED生長困難等問題。這些都與GaN基半導體材料的缺陷、應力及載流子的輸運機制有關。因此，深入研究并探討上述結構或器件中的缺陷的起源和分布，闡明載流子的產(chǎn)生（注入）、輸運和復合機制，對進一步優(yōu)化材料生長條件、提高器件的光電特性至關重要。
　　光譜表征手段是不可或缺的半導體表征手段，具有靈敏

5、度高、無損傷等優(yōu)點，能夠表征半導體材料合金的組分含量、雜質(zhì)缺陷和結構缺陷的類型以及內(nèi)部載流子的產(chǎn)生（注入）、輸運和復合機制等。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)測試、Ⅰ-Ⅴ測試等表征手段，研究了GaN基HEMT和LED結構的光電特性。
　　主要研究工作總結如

6、下:
　?。ㄒ唬〨aN外延層的光致發(fā)光(photoluminescence，PL)特性
　　本研究采用MOCVD的方法在藍寶石襯底上制備了GaN外延層，并利用PL測試詳細分析了GaN外延層的光學性質(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)，以及與缺陷相關的輻射峰，如紫外發(fā)光峰(ultraviolet lumi

7、nescence，UVL)、藍光帶（blue luminescence，BL）、黃光帶(yellow luminescence,YL)。
　?。ǘ┑X(AlN)壘層厚度對AlN/GaN HEMT的光電特性的影響
　　通過HRTEM，AFM，PL和Hall測試研究了AlN壘層厚度對AlN/GaN異質(zhì)結構的表面形貌、材料質(zhì)量以及光電特性的影響。測試結果顯示，相對于具有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:Pit或Crack的密度更大且更深、缺陷相關的紫外發(fā)光峰(ultraviolet luminescence，UVL)強度更強、NBE發(fā)光峰強度更弱且峰位紅移、2DEG的濃度更大以及遷移率更小。研究結果表明，當AlN壘層厚度從3nm增加到6nm時，應力開始釋放，在AlN/GaNHEMT的表面形成更多的Pit或Crack，這些Pit或Crack會從AlN/GaN HEMT的表面往下傳播（沿著生長方向的反方向），甚至穿過界面到達Ga

9、N溝道層，降低了AlN/GaNHEMT的結晶質(zhì)量，導致與UVL相關的缺陷濃度的增加。盡管AlN壘層厚度增加能夠引起2DEG濃度增加，但是界面質(zhì)量變差導致的界面粗糙散射增強對GaN基HEMT的電學特性影響更大。
　?。ㄈ╄F(Fe)摻雜濃度對AlGaN/GaN HEMT的光電特性的影響
　　首先，利用MOCVD的方法在藍寶石襯底上外延生長了不同摻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PL、Hall測試和Ⅰ-Ⅴ測試等表征手段，研究了Fe摻雜濃度對AlGaN/GaN HEMT的光電特性的影響。研究結果顯示，與不摻Fe的AlGaN/GaN HEMT樣品相比，適當摻Fe的AlGaN/GaN HEMT樣品(1×1018cm-3)會引入FeGa3+受主能級，使費米能級向下移動。這導致了PL譜中YL強度的減小及一個新的發(fā)光峰的出現(xiàn)—紅外(infrared，IR)發(fā)光峰。此外，還導致了Ⅰ-Ⅴ測試中BLC的

11、減小。當GaN緩沖層摻入過量的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，使費米能級上移，同時FeGa3+捕獲電子導致FeGa3+濃度降低。最終，導致PL譜中YL強度增加和IR發(fā)光峰強度降低以及Ⅰ-Ⅴ曲線中的BLC增加。通過研究PL特性和Ⅰ-Ⅴ特性的內(nèi)部機制，為進一步通過光學測量手段分析GaN基HEMT自由載流子的內(nèi)部機制，提供了簡單而有效的

12、方法。
　?。ㄋ模┑蜏?low-temperature，LT)p-GaN插入層對GaN基藍光的光電特性的影響
　　利用MOCVD的方法在藍寶石襯底上外延生長了兩個GaN基藍光LED樣品（有和無LT p-GaN插入層），并分別測試了不同溫度(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GaN基藍光LED的光電特性的影響。測試結果顯示，兩樣品的

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

14、基藍光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。通過對以上實驗結果的分析，我們發(fā)現(xiàn)LT p-GaN插入層的導入能夠提高GaN基藍光LED光電特性的，主要原因包括:(ⅰ)阻止生長p-AlGaN電子阻擋層時的高溫對MQWs的破壞（主要指最后一個阱層），從而防止InGaN阱層的In揮發(fā)，提高了InGaN阱

15、層的局域效應;(ⅱ)減少MQWs中的應力，降低QCSE，從而增大了電子-空穴的波函數(shù)交疊;(ⅲ)阻斷來自底層的結構缺陷向上傳播，提高后續(xù)生長的p-AlGaN電子阻擋層和p-GaN接觸層的結晶質(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襯底上外延生長了GaN基綠光LED樣品，其次，測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譜的注入電流依賴性。在低溫范圍內(nèi)，如6K，隨注入電流的增加，MQWs的輻射過程中，低能局域態(tài)填充先起支配作用;當溫度升高至中間溫度時，如160K，在低注入電流范圍內(nèi)隨著注入電流的增加，輻射過程先后受到QCSE的屏蔽效應和低能局域態(tài)填充效應的支配;但是當溫度升高至高溫范圍內(nèi)，如350K，隨注入電流的增加，輻射過程先受到散射效應的支配，隨后受非輻射復合效應的支配。同時，與GaN基藍光LED相比，Ga