GaN/AlN超晶格半导体材料的脉冲MOCVD生长以及表征研究

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GaN/AlN超晶格结构在光电探测器,激光器,远红外发光器件上的用途越来越广,生产低成本、低缺陷浓度、组分界面清晰的此类超晶格结构成为限制其应用的主要问题。目前使用的MBE生长方法,可以得到较好的超晶格界面。但是其成本巨大,生长速率低,不利于大规模生产。而使用成本相对较低,适合商业生产的MOCVD生长方法所淀积的GaN/AlN超晶格在材料质量方面却不如MBE出色,需要对其生长方法进行进一步的优化。本文正是在这种背景下,将GaN/AlN超晶格材料作为研究对象,主要研究了提高超晶格界面的生长方法,超薄周期厚度的GaN/AlN超晶格在替代高Al组分AlGaN/GaN异质结势垒层方面的应用等。具体成果与意义如下:首先,根据脉冲法的思路,并且结合实验设备的特点,提出了一套独特的生长方式——单脉冲间断生长,区别供氨法。即在超晶格生长过程中,AlN薄层和GaN薄层使用氨气量不同,每层薄层生长过程中MO源脉冲一次,脉冲结束后有短暂的生长停顿时间,在这段时间仍然保持氨气的持续通入。这种采用不同氨气量的方法,可以保证不同薄层所需的最优V/III比,有效提高超晶格结晶质量。并且利用间断的时间,不仅可以进行MO源转换和氨气流量转换,而且可以对薄层表面进行氮化处理,进一步提高薄层结晶质量以及表面形貌。通过实验,成功得到了表面形貌较好的超薄层周期厚度GaN/AlN超晶格。其次,研究了超薄周期厚度的GaN/AlN超晶格生长温度,通过两组实验,得到了适宜超薄周期厚度GaN/AlN超晶格的生长温度。同时,通过实验,研究并分析了在高温情况下,由于GaN发生了分解反应,导致整个超晶格材料结晶质量下降。并且发现了低温情况下,GaN层出现了表面塌陷(surface depression)现象,导致超晶格结晶质量下降。再次,我们将超薄周期厚度的GaN/AlN超晶格材料使用到了AlGaN/GaN异质结中,让其替代原先的alloy-AlGaN势垒层,即成为类AlGaN(quasi-AlGaN)势垒层。在本文中,GaN/AlN超晶格的等效Al组分达到45%,我们将该样片和普通的alloy-Al0.45Ga0.55N/GaN异质结进行比较,实验结果得出这种超晶格结构具有更高的2DEG浓度和较高的耗尽电压。并且通过实验,我们得到了这种类势垒层结构将提高高Al组分的势垒层临界厚度这一结论。最后,我们通过一维自洽求解薛定谔/泊松方程,模拟研究了在使用超晶格做势垒层的时候,不同等效Al组分,不同超晶格周期数,不同超晶格周期厚度下的quasi-AlGaN/GaN中2DEG浓度变化。在不考虑alloy-AlGaN势垒层弛豫的情况下,我们将quasi-AlGaN/GaN和alloy-AlGaN/GaN结构进行了比较,得出了quasi-AlGaN/GaN能够形成更高2DEG浓度的结论。而且GaN/AlN超晶格做势垒层不仅可以提升2DEG浓度,并且这种结构在高Al组分下具有较厚的临界厚度,可以更为广泛的应用到高Al的quasi-AlGaN/GaN结构中。
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