InAlN材料的生长及其表面纳米岛的研究

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作为新一代微电子器件和光电子器件的新型材料,III族氮化物半导体成为目前全球半导体研究的前沿和热点。相比于第一代Si和第二代GaAs、InP,III族氮化物(AlN、GaN、InN)的带隙可在0.7到6.2eV范围内变化,适合于用作整个可见光区及部分的红外和紫外光的光电子器件,尤其是发光二极管和激光管等器件。当In组分大约为17%时,InAlN与GaN的晶格匹配,解决了InAlN材料生长上的困难。采用MOCVD生长出了高质量无应力的17%In组分InAlN/GaN异质结材料,并采用双晶XRD表征InAlN材料的晶体质量和In组分;采用反射光谱测试InAlN材料的波长,进一步验证了InAlN材料的In组分;采用TEM观察了InAlN和GaN的界面;采用AFM表征材料的表面形貌。发现优化外延工艺条件生长的17%In组分InAlN材料的半峰宽为392",其界面清晰,但是在InAlN晶体里靠近表面处可以看到少部分晶格的堆垛层错和一些相的分离,我们称之为InAlN的富In纳米岛。分析得出纳米岛的密度随着InAlN的厚度的增加而增加。InAlN中富In纳米岛的形成是由于应力集中和In组分的分离造成的。通过研究在不同衬底上生长的GaN薄膜的质量,揭示了缓冲层的缺陷与InAlN层纳米岛的关系。为了对InAlN外延层表面相分离情况做进一步的分析。采用Cell Dynamical System (CDS)计算方法,通过随时间演化的序参数的演变来模拟表面组分在二维方向上的元素扩散。研究了扩散系数D、时间t以及初始成分涨落△ψ对序参数ψ的影响。研究得出,当D<0.3时,成分涨落随D的增大稍有增大;当D>0.3时,成分涨落随D的增大而减小,直至减小到零,此时实现InAlN层表面成分的均匀化;当D=0.3时的成分涨落最大,此时的相分离最明显。随着时间t的增加,In的成分涨落变小,In的成分分布变均匀。△ψ对In成分涨落的影响最大,减小△ψ的值能够大大减小In的成分涨落,有效的控制相分离,实现生长层的均匀化。最后,将模拟结果与实验结果进行了对比。发现模拟结果与实验结果基本一致,随着温度的升高,时间的递增,组分逐渐均匀化。可以通过计算模拟来控制生长温度与生长时间,优化实验方案,预计实验结果,有效节约实验时间与实验资源。
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