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高能电子辐照GaN外延层的性能研究

作　者: 梁李敏
导　师: 刘彩池
学　校: 河北工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: GaN 电子辐照 辐照缺陷 快速热退火 黄光带 电学性能
分类号: TN304.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


氮化镓（GaN）材料因其宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好等性质在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。GaN材料一直被认为是一种理想的抗辐照半导体材料，随着核技术和空间技术的发展，GaN材料及其器件被用于辐射很强的极端恶劣的条件下工作。研究GaN材料中辐照缺陷的性质，以及辐照缺陷对GaN光学性能和电学性能的影响，研究辐照缺陷在退火过程中的扩散和湮灭，对GaN在辐照环境下的应用具有重要的理论意义和实用价值。本文利用双晶X射线衍射仪（DCXRD）、正电子湮没谱（PAS）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光（PL）谱，霍尔测试（HALL）等分析技术对高能电子辐照GaN外延层的性能进行了研究，获得的主要结果如下：1、利用湿法化学腐蚀工艺研究了电子辐照GaN外延层中的辐照缺陷，电子辐照GaN样品经熔融状态的混合KOH和NaOH碱溶液腐蚀后，用SEM观测到α、β和γ三种类型的腐蚀坑，提出辐照缺陷对GaN性能的影响与位错相似。2、研究了电子辐照对GaN外延层黄光带的影响，首次提出一理论模型解释了黄光带强度随辐照剂量的变化关系。随辐照剂量的增加，在GaN外延层中引入的镓空位增加，镓空位与黄光带的形成有关，因此黄光带强度增加。3、研究了快速热退火对黄光带的影响，发现黄光带强度随退火温度呈非线性变化。400℃退火样品的黄光带的热激活能为16meV，与O有关；600℃退火样品的黄光带的热激活能为40meV，与C有关。结合辐照缺陷在退火过程中的扩散，提出在200~800℃退火过程中包含两个黄光带形成机理。4、研究了电子辐照对GaN外延层电学参数的影响，首次提出一理论模型解释了电学参数随辐照剂量的变化。随辐照剂量的增加，样品中引入的深能级缺陷浓度增加，深能级缺陷对载流子的俘获和散射，使得载流子浓度和迁移率下降。5、研究了快速热退火对GaN外延层电学参数的影响，发现载流子浓度和迁移率随退火温度呈非线性变化。200~600℃退火温度范围内电学参数的变化与辐照引入的VGa深受主缺陷的复合和断裂有关，600~800℃退火温度范围内电学参数的变化与辐照引入的VN浅施主缺陷的变化有关。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-35
  1.1 引言  10-11
  1.2 GaN 的基本特性  11-12
    1.2.1 GaN 的晶体结构  11
    1.2.2 GaN 的电学特性  11-12
    1.2.3 GaN 的光学特性  12
  1.3 GaN 的生长工艺  12-20
    1.3.1 MOCVD 生长技术  13
    1.3.2 MBE 生长技术  13-14
    1.3.3 HVPE 生长技术  14-15
    1.3.4 缓冲层技术  15-16
    1.3.5 横向外延生长技术（ELO）  16-18
    1.3.6 柔性衬底技术（SOI）  18-19
    1.3.7 其它外延生长技术  19-20
  1.4 GaN 材料中的杂质与缺陷  20-25
    1.4.1 GaN 中的原生缺陷与杂质  20-24
    1.4.2 GaN 中缺陷与杂质间的相互作用  24-25
  1.5 GaN 中的辐照损伤  25-28
    1.5.1 电子辐照损伤机理  25-26
    1.5.2 电子辐照诱生缺陷  26-27
    1.5.3 辐照损伤的热退火  27-28
  1.6 高能粒子辐照 GaN 材料的研究历史和现状  28-33
    1.6.1 高能粒子辐照 GaN 的电学特性研究进展  28-32
    1.6.2 高能粒子辐照 GaN 的光学特性研究进展  32
    1.6.3 高能粒子辐照 GaN 基器件的研究进展  32-33
  1.7 本文主要研究内容  33-35
第二章 实验过程及检测方法  35-41
  2.1 实验过程  35-36
    2.1.1 GaN 样品的准备和处理  35
    2.1.2 GaN 样品的电子辐照  35-36
    2.1.3 电子辐照 GaN 样品的快速热退火  36
  2.2 检测方法  36-41
    2.2.1 正电子湮灭仪(PAS)  36-37
    2.2.2 高分辨双晶 X 射线衍射仪（HRDCXRD）  37-38
    2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）  38
    2.2.4 X 射线光电能谱仪(XPS)  38-39
    2.2.5 光致发光谱(PL)仪  39-40
    2.2.6 霍尔效应测量仪（HALL）  40-41
第三章 电子辐照 GaN 外延层中的缺陷研究  41-61
  3.1 引言  41
  3.2 电子辐照 GaN 外延层的晶体质量的研究  41-44
    3.2.1 电子辐照对 GaN 外延层晶体质量的影响  41-44
    3.2.2 热退火对电子辐照 GaN 外延层晶体质量的影响  44
  3.3 电子辐照 GaN 外延层中的辐照缺陷研究  44-54
    3.3.1 电子辐照对 GaN 外延层表面缺陷的影响  44-45
    3.3.2 电子辐照对 GaN 外延层中点缺陷类型的影响  45-47
    3.3.3 电子辐照 GaN 外延层中缺陷的腐蚀显示  47-52
    3.3.4 热退火对电子辐照 GaN 外延层中缺陷的影响  52-54
  3.4 电子辐照 GaN 外延层的表面化学键研究  54-60
    3.4.1 电子辐照对 GaN 外延层表面 Ga3d 峰的影响  54-57
    3.4.2 热退火对电子辐照 GaN 外延层表面 Ga3d 峰的影响  57-60
  3.5 本章小结  60-61
第四章 电子辐照 GaN 外延层的光致发光谱研究  61-78
  4.1 引言  61-62
  4.2 实验过程  62-63
  4.3 结果与讨论  63-76
    4.3.1 辐照能量对 GaN 外延层光致发光谱的影响  63-66
    4.3.2 辐照剂量对 GaN 外延层光致发光谱的影响  66-71
    4.3.3 热退火对电子辐照 GaN 外延层光致发光谱的影响  71-76
  4.4 本章小结  76-78
第五章 电子辐照 GaN 外延层的电学性能研究  78-84
  5.1 引言  78
  5.2 实验过程  78
  5.3 结果与讨论  78-83
    5.3.1 电子辐照对 GaN 外延层电学性能的影响  78-81
    5.3.2 热退火对电子辐照 GaN 外延层电学性能的影响  81-83
  5.4 本章小结  83-84
第六章 结论与展望  84-86
  6.1 全文总结  84-85
  6.2 工作展望  85-86
参考文献  86-93
攻读学位期间所取得的相关科研成果  93-94
致谢  94

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 化合物半导体
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