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GaN基半导体异质结构中的应力相关效应

作　者: 蔡端俊
导　师: 康俊勇
学　校: 厦门大学
专　业: 凝聚态物理学
关键词: GaN基半导体 异质结构 电子结构 俄歇电子能谱 应力场 压电极化 相变
分类号: O472
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


GaN基半导体作为光电子材料领域极为重要的材料,其异质结构在器件开发领域得到十分广泛的应用,目前,影响其未来发展的有几大关键性难题,本质上都与应力场有关,深受大家关注且亟待解决。本论文通过实验研究和计算模拟,全面深入地考察了GaN基半导体异质结构中应力场的相关效应,分析其复杂性质、阐明其物理机制,进而讨论这些效应对GaN基半导体电学和光学性质的作用。在基础研究手段上,我们利用金属有机物化学汽相外延技术制备GaN基异质结构,如侧向外延GaN和AlGaN/GaN系统的异质结构;采用包括电子显微镜、俄歇电子能谱、阴极荧光光谱等技术,表征异质结构的各项化学、物理性质。首先提出了电子信息的思想和“俄歇谱广义位移”概念,结合以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,重点开发了微纳米区域的应力场、电学量测量技术,对微观表征技术的发展起重要的推动作用。基于上述手段,我们针对以下几方面关键物理问题进行研究并取得重要结果:在GaN中应力场和发光性质的研究方面,通过对侧向外延GaN的应力分布测量,发现双轴应力释放的关键机制和区域,通过对穿透位错的拐弯、攀移等行为的分析发现双轴应力场可转变为纵向应力场,并带来带边发光增强的效应,从而提高了紫外发光强度;同时,集体有序拐弯的位错线所形成的横向位错阵列,对极化场造成密集的碎断作用,减小电子空穴的离化,增加了发光复合几率,进一步促进GaN发光效率的提高。在GaN/AlGaN/GaN异质结构的压电极化效应的研究方面,通过测量界面层区的化学和电学性质,发现Al与Ga在界面互扩散形成了一定宽度的界面组分缓变层区,在此层区内,因极化效应作用形成了局域的二维电荷薄层。通过对局域电场的测量,重建了异质结能带结构,表明能带弯曲所形成的界面势谷对二维电荷薄层起到限制的作用。通过第一性原理计算AlGaN/GaN异质结构的几何和电子结构,得到极化场作用下的弯曲能带结构,与实验结果很好的吻合,并发现了价带、导带弯曲的不一致性,预测了AlGaN/GaN量子阱的短波发光器件开发的切实可行性。在应力场控制下的AlGaN体系异质界面相变的研究方面,通过计算发现,在GaN基

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-16
第一章 序论  16-20
  1.1 GaN 基半导体研究的根本性问题  16-17
  1.2 研究手段发展的基础性问题  17-18
  1.3 论文构架  18-20
第二章 晶体生长方法和表征  20-38
  2.1 III 族氮化物生长方法  20-28
    2.1.1 金属有机物汽相外延（MOVPE）  20-22
    2.1.2 侧向外延GaN 的制备  22-28
    2.1.3 AlGaN/GaN 异质结构的制备  28
  2.2 表征方法  28-38
    2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）  29-30
    2.2.2 透射电子显微镜（TEM）  30-32
    2.2.3 俄歇电子能谱（AES）  32-34
    2.2.4 X 射线衍射（XRD）  34-35
    2.2.5 拉曼散射谱（Raman）  35-36
    2.2.6 阴极荧光谱（CL）  36-38
第三章 计算模拟方法  38-60
  3.1 密度泛函理论的电子结构计算  38-49
    3.1.1 密度泛函理论  38-42
    3.1.2 混合基赝势计算方法  42-47
    3.1.3 力与结构优化  47-49
  3.2 计算模拟的应力模型  49-53
    3.2.1 体材料模型和表面材料模型  49-52
    3.2.2 异质结构模型  52-53
    3.2.3 应力场的构建  53
  3.3 GaN 和AlN 材料基本性质的计算  53-60
    3.3.1 GaN 和AlN 体材料的基本性质  54-56
    3.3.2 GaN 和AlN 表面系统的基本性质  56-60
第四章 俄歇谱广义位移概念及其微纳区测量技术的建立  60-83
  4.1 引言  60-61
  4.2 俄歇电子理论  61-68
    4.2.1 俄歇电子跃迁过程和表述  61-62
    4.2.2 俄歇电子能量的表达  62-63
    4.2.3 价电子态对俄歇电子能量的影响  63-64
    4.2.4 价电子能带俄歇谱的理论表述及其简化  64-66
    4.2.5 价电子能带俄歇谱中的电子信息  66-68
  4.3 俄歇谱广义位移概念及其微观物理意义  68-73
    4.3.1 广义位移概念及其意义  68-69
    4.3.2 俄歇峰位对应微观变化实例  69-71
    4.3.3 俄歇峰形对应微观变化实例  71-73
  4.4 纳米区域应力测量技术的建立  73-77
    4.4.1 应力测量技术的发展  73-74
    4.4.2 俄歇谱位移与微观应力的对应关系  74-75
    4.4.3 俄歇谱位移量的测量  75-76
    4.4.4 样品和测试环境  76-77
  4.5 远场非接触性纳米区域电学测量技术的建立  77-81
    4.5.1 电学测量技术的发展  77-79
    4.5.2 局域电荷及电场的俄歇谱信息  79-80
    4.5.3 局域电荷浓度及电场的测量  80
    4.5.4 样品和测试环境  80-81
  4.6 结论  81-83
第五章 GaN 中的应力场转变及带边发光增强效应  83-104
  5.1 引言  83-84
  5.2 侧向外延GaN 中应力场的释放机制  84-89
    5.2.1 表面形貌和应力分布  84-86
    5.2.2 剖面应力演化分布的精确测量  86-88
    5.2.3 应力场释放机制  88-89
  5.3 位错集体有序行为及纵向应力场转变  89-94
    5.3.1 侧向外延区位错的有序拐弯  89-91
    5.3.2 位错半环集体攀移及纵向应力场  91-93
    5.3.3 纵向应力场与光谱蓝移  93-94
  5.4 带边发光增强效应  94-101
    5.4.1 侧向区的高亮紫外发光  94-96
    5.4.2 纵向应力场的带边发光增强效应  96-99
    5.4.3 横向位错阵列的极化场碎断效应  99-101
  5.5 结论  101-104
第六章 GaN/AlGaN/GaN 异质界面的压电极化效应  104-122
  6.1 引言  104-105
  6.2 III 族氮化物异质结构的压电极化效应  105-110
    6.2.1 III 族氮化物的压电极化  105-107
    6.2.2 AlGaN/GaN 异质结的压电极化  107-109
    6.2.3 压电极化的光学和电学效应  109-110
  6.3 GaN/AlGaN/GaN 异质界面极化场的表征  110-116
    6.3.1 界面层的组分扩散深度  110-112
    6.3.2 界面的极化电荷薄层  112-114
    6.3.3 极化电场分布  114-115
    6.3.4 缓变界面的能带弯曲  115-116
  6.4 GaN/AlGaN 的能带结构计算  116-119
    6.4.1 GaN/AlGaN/GaN 异质结层晶的能带弯曲  117-118
    6.4.2 AlGaN/GaN/AlGaN 量子阱的能带弯曲  118-119
  6.5 结论  119-122
第七章 应力控制下 AlGaN 体系异质界面的结构相变  122-138
  7.1 引言  122-123
  7.2 AlGaN/GaN 应变异质界面的结构相变  123-132
    7.2.1 异质界面模型与结构转变能  123-124
    7.2.2 AlGaN 薄膜相变的临界厚度  124-127
    7.2.3 次近邻键相互作用和Al-N 键共价化效应  127-128
    7.2.4 相变势垒  128-129
    7.2.5 相变对AlGaN/GaN 压电极化场的影响  129-130
    7.2.6 AlGaN/GaN 样品异质界面相变的观测  130-132
  7.3 AlGaN/AlN 应变异质界面的结构相变  132-135
    7.3.1 AlGaN 异质界面层的结构转变  133-134
    7.3.2 相变结构稳定的应力范围  134-135
  7.4 结论  135-138
第八章 总结与展望  138-142
参考文献  142-167
  第一章  142-143
  第二章  143-148
  第三章  148-152
  第四章  152-156
  第五章  156-159
  第六章  159-163
  第七章  163-167
附录 博士期间发表的论文及成果  167-169
致谢  169

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 半导体物理学 > 半导体性质
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