论文部分内容阅读
在过去的二十年间，GaN和相关的InGaN，AlGaN等合金半导体材料取得了巨大的成功。这同时也推动了半导体领域的发光二极管(LEDs)，激光二极管(LDs)和高电子迁移率晶体管(HEMT)的快速发展。虽然GaN半导体材料领域已经取得了显著的成绩，但六方晶系的氮化物材料中，沿c向存在的自发极化和压电极化造成材料内部较强的内建电场严重的阻碍着传统沿c面生长的器件性能的进一步提高。因此，采用r-plane蓝宝石衬底生长非极性a面GaN薄膜也受到了越来越多的重视。然而，得到的a面GaN薄膜中往往存在高密度的堆垛层错和位错，造成现有的非极性GaN器件性能不能达到应用的要求。文献中的很多用来改善c面GaN缺陷的方法应用到非极性的a面GaN薄膜中效果并不理想。在本文中，我们提出了一种全新的方法以改进a面GaN中薄膜的晶体质量。采用InGaN插入层和低温GaN缓冲层相结合的工艺，我们发现该工艺能够实现a面GaN纳米尺度的横向外延，我们将新工艺取名为自图形的纳米尺度的横向外延(self-patternednanoscaleepitaxiallateralovergrowth)。在本论文中，我们主要探讨了以下三个方面的问题。 1.我们详细阐明了SPNELO工艺的流程和工艺参数，并利用扫描电子显微镜(SEM)，高分辨X射线衍射(HRXRD)，拉曼(Raman)光谱和光致荧光谱(PL)等实验来证明了SPNELO对薄膜晶体质量的改善作用。 2.我们讨论了两个主要的生长条件(载气和InGaN插入层厚度)对SPNELO生长得到的薄膜质量的影响。同时，我们对样品进行了变温PL谱的测量以研究样品更详细的光学特性。 3.我们同时采用HRXRD和Raman光谱的方法研究a面GaN薄膜中的应力状态。两种方法得到的结果吻合得较好。采用SPNELO工艺，能够在很大的范围内调节薄膜中的应力。 除SPNELO工艺之外，本论文还包括下面两方面的工作。一方面，我们讨论了二维体系中InGaN中团簇的散射问题，同时采用波恩近似和分波法进行理论计算，我们发现波恩近似并不适用于处理散射势较强的散射，文中同时给出了具体的波恩近似的应用条件的公式。另外一方面，我们采用x射线光电子能谱(x-rayphotoelectronspectroscopy，XPS)的方法测量了六方InN/(100)SrTiO3材料的价带差，得到的价带差的数值为1.26±0.23eV，进一步分析发现该结果与界面诱导的带隙态理论(interface-inducedgapstates，IFIGS)能够很好的吻合。