GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力相關(guān)效應(yīng).pdf

1、GaN基半導(dǎo)體作為光電子材料領(lǐng)域極為重要的材料，其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在器件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用，目前，影響其未來(lái)發(fā)展的有幾大關(guān)鍵性難題，本質(zhì)上都與應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)，深受大家關(guān)注且亟待解決。本論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模擬，全面深入地考察了GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力場(chǎng)的相關(guān)效應(yīng)，分析其復(fù)雜性質(zhì)、闡明其物理機(jī)制，進(jìn)而討論這些效應(yīng)對(duì)GaN基半導(dǎo)體電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的作用。在基礎(chǔ)研究手段上，我們利用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延技術(shù)制備GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如側(cè)向外延Ga

2、N和AlGaN／GaN系統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)；采用包括電子顯微鏡、俄歇電子能譜、陰極熒光光譜等技術(shù)，表征異質(zhì)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)化學(xué)、物理性質(zhì)。首先提出了電子信息的思想和“俄歇譜廣義位移”概念，結(jié)合以密度泛函理論為基礎(chǔ)的第一性原理計(jì)算方法，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了微納米區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)、電學(xué)量測(cè)量技術(shù)，對(duì)微觀表征技術(shù)的發(fā)展起重要的推動(dòng)作用。基于上述手段，我們針對(duì)以下幾方面關(guān)鍵物理問(wèn)題進(jìn)行研究并取得重要結(jié)果： 在GaN中應(yīng)力場(chǎng)和發(fā)光性質(zhì)的研究方面，通過(guò)對(duì)側(cè)向外延Ga

3、N的應(yīng)力分布測(cè)量，發(fā)現(xiàn)雙軸應(yīng)力釋放的關(guān)鍵機(jī)制和區(qū)域，通過(guò)對(duì)穿透位錯(cuò)的拐彎、攀移等行為的分析發(fā)現(xiàn)雙軸應(yīng)力場(chǎng)可轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向應(yīng)力場(chǎng)，并帶來(lái)帶邊發(fā)光增強(qiáng)的效應(yīng)，從而提高了紫外發(fā)光強(qiáng)度；同時(shí)，集體有序拐彎的位錯(cuò)線所形成的橫向位錯(cuò)陣列，對(duì)極化場(chǎng)造成密集的碎斷作用，減小電子空穴的離化，增加了發(fā)光復(fù)合幾率，進(jìn)一步促進(jìn)GaN發(fā)光效率的提高。 在GaN／A1GaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓電極化效應(yīng)的研究方面，通過(guò)測(cè)量界面層區(qū)的化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)Al與G

4、a在界面互擴(kuò)散形成了一定寬度的界面組分緩變層區(qū)，在此層區(qū)內(nèi)，因極化效應(yīng)作用形成了局域的二維電荷薄層。通過(guò)對(duì)局域電場(chǎng)的測(cè)量，重建了異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)，表明能帶彎曲所形成的界面勢(shì)谷對(duì)二維電荷薄層起到限制的作用。通過(guò)第一性原理計(jì)算AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的幾何和電子結(jié)構(gòu)，得到極化場(chǎng)作用下的彎曲能帶結(jié)構(gòu)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合，并發(fā)現(xiàn)了價(jià)帶、導(dǎo)帶彎曲的不一致性，預(yù)測(cè)了AlGaN／GaN量子阱的短波發(fā)光器件開(kāi)發(fā)的切實(shí)可行性。 在應(yīng)力場(chǎng)控制下的

5、AlGaN體系異質(zhì)界面相變的研究方面，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在GaN基底層上，薄膜相變存在臨界厚度，且高Al組分有利于相變的發(fā)生：對(duì)電子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析說(shuō)明，Al-N鍵的共價(jià)化及其次近鄰鍵相互作用對(duì)從釬鋅礦結(jié)構(gòu)到閃鋅礦結(jié)構(gòu)的相變起到關(guān)鍵的作用。相變的發(fā)生帶來(lái)極化場(chǎng)效應(yīng)的減小，從而改變了AlGaN薄膜的電子結(jié)構(gòu)和光電子性質(zhì)。通過(guò)對(duì)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，界面存在AlN偏析薄層并呈現(xiàn)閃鋅礦結(jié)構(gòu)相，很好的佐證了理論的預(yù)測(cè)。另一方面