AlGaN基宽禁带半导体光电材料与器件

AlGaN基材料是带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料,是制备紫外(UV)光电子器件的理想材料.经过数十年的研究,目前已经在异质衬底外延生长AlGaN基材料、高效掺杂等方面取得了巨大进展.以此为基础,AlGaN基紫外光电器件制备领域也得到长足发展.在本综述中,主要介绍了高质量AlGaN基材料的MOCVD外延生长方法、掺杂方法以及近年来在紫外发光、紫外探测器件方面取得的进展.     

Time—Resolved Photoluminescence Studies of AlInGaN Alloys

We study the two samples of AlInGaN,i.e.,1-μm Gan grown at 1030℃ on the buffer and followed by a 0.6μm-thick epilayer of AlInGaN under the low pressure of 76 Torr and the AlInGaN layer deposited diectly on the buffer layer without the high-temperature GaN layer,by temperature-dependent photoluminescence(PL) spectroscopy and picosecond time-resolved photoluminescence(TRPL) spectroscopy.The TRPL signals of both the samples were fitted well as a stretched exponential decay at all temperatures,indicating significant disorder in the material.We attribute the disorder to nanoscale quantum dots or discs of high indium concentration.Temperature dependence of dispersive exponent β shows that the stretched exponential decay of the two samples comes from dfferent mechanisms.The different depths of the localization potential account for the difference,which is illustrated by the results of temperature dependence of radiative recombination lifetime and PL peak energy.     

InGaN量子点的诱导生长和发光特性研究

降低InGaN的维数是提高GaN基发光器件发光效率的一种非常有效的方法，本文的工作主要集中在高密度InGaN量子点的生长和分析上。在MOCVD设备上，经过钝化和低温两个特殊工艺条件，在高温CaN表面生长了一层低温岛状GaN．形成表面形貌的起伏，进而导致表面应力的不均匀分布。在这一层低温岛状GaN的诱导性作用下生长并形成InGaN量子点。通过原子力显微镜、透射电子显微镜和光致发光谱对其徽观形貌和光学性质进行了观察和研究。从原子力显微镜以及透射电子显微镜观察得到的结果表明：InGaN量子点为平均直径约30nm、高度约25nm、分布较均匀的圆锥，其密度约10^11cm^-2。室温下，InGaN量子点材料的PL谱强度大大超出相同条件生长的InGaN薄膜材料。这些现象表明，用InGaN量子点代替普通InGaN薄膜．有望获得发光效率更高的GaN基发光器件。     

多层GaSb(QDs)/GaAs生长中量子点的聚集及发光特性

通过对多层GaSb量子点的生长研究,发现随着生长层数的增加,量子点尺寸逐渐变大,密度没有明显变化,并且量子点出现了聚集现象;当层数增加到一定数量、量子点聚集到一定大小时,聚集的量子点处会出现空洞。这些现象表明,各层量子点在生长过程中存在关联效应,并且GaAs层不能很好地覆盖在聚集的量子点之上,在继续生长其它量子点层时,聚集的量子点处在高温下出现GaSb的蒸发,从而出现空洞。PL谱出现了很宽的量子点发光峰,这很可能是由于多层量子点在生长时大小分布较宽而导致的结果。     

GaAs 微尖阵列的制备与场发射性能

利用选择液相外延的方法制备GaAs微尖阵列,通过扫描电子显微镜对微尖形貌进行了表征,并对此微尖阵列进行了场发射性能测试。结果表明,选择液相外延法制备的GaAs微尖呈金字塔状,两对面夹角为71°;微尖高度由生长窗口的尺寸决定,对底边为60μm的微尖,其高度约为42μm。此微尖阵列排列规则,具有场发射特性,开启电场约为5.1V/μm。发射电流稳定,当电场由8.0V/μm增加到11.9V/μm,发射电流由6μA增到74μA,在发射时间超过3h的情况下,电流波动不超过3%。另外,GaAs微尖阵列场发射的F-N曲线不为直线,分析表明是表面态和场渗透共同作用的结果。这对GaAs微尖阵列在场发射阴极方面的进一步研究具有重要的意义。     

直流反应磁控溅射在氮化的蓝宝石衬底上制备AlN薄膜

通过直流磁控反应溅射装置,在蓝宝石(0001)衬底和氮化的蓝宝石(0001)衬底上成功制备了氮化铝(AIN)薄膜。利用X射线衍射仪、原子力学显微镜和双光束扫描分光计,研究了蓝宝石氮化对AIN薄膜结构、应力、晶粒尺寸、形貌和光学性质的影响。X射线衍射研究表明:制备的AIN薄膜具有较强的(0002)择优取向,蓝宝石衬底的氮化不仅能够改善AIN结晶质量,而且还可以减少薄膜的残余应力。但是,原子力学显微镜结果表明:在蓝宝石衬底上制备的AIN薄膜的晶粒大小分布比在氮化的蓝宝石衬底上制备的AIN薄膜的晶粒大小分布更加均匀。我们认为,蓝宝石衬底在氮化的过程中形成的AIN具有过多的位错和缺陷,正是这些位错和缺陷造成了在氮化的蓝宝石衬底上制备的AIN薄膜的晶粒大小分布的不均匀性。吸收光谱显示:蓝宝石衬底的氮化并没有对AIN薄膜的光学性质产生明显的改善。     

初始化生长条件对a-GaN中应变的影响

利用高分辨X射线衍射(HRXRD)与拉曼散射光谱(Raman scattering spectra)研究了氮化处理与低温AlN缓冲层对低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)在r面蓝宝石衬底上外延的a面GaN薄膜中的残余应变的影响。实验结果表明:与氮化处理后生长的a-GaN相比,使用低温AlN缓冲层后生长的a-GaN具有较小的摇摆曲线的半高宽和较低的残余应变,而且其结构各向异性和残余应变各向异性也均有一定程度的降低。因此,与氮化处理相比,低温AlN缓冲层更有利于a-GaN的生长。     

AlN插入层对a-AlGaN的外延生长的影响

采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)在r面蓝宝石衬底上生长a-AlGaN外延膜,研究了AlN插入层对a-AlGaN外延膜的应力和光学性质的影响。根据高分辨X射线衍射(HRXRD)技术和扫描电子显微镜(SEM)我们可以得到,AlN插入层有效地提高了a-AlGaN外延膜的晶体质量并减小了外延膜材料结构的各向异性。由拉曼光谱得到AlN插入层的引入减小了a-AlGaN外延膜的面内压应力,其原因是AlN插入层可以当作衬底有效的调制与减小a-AlGaN外延膜与r面蓝宝石衬底的晶格失配,从而使a-AlGaN的面内应力得到适当释放。对室温下的光致发光进行测量得到AlN插入层的使用使近带边发射峰(NBE)发生了红移,这可能是由于残余应力的减小引起。     

金属有机物气相外延生长InAlGaN薄膜及其性能表征

在不同的生长温度和载气的条件下,采用低压金属有机物气相外延方法生长了系列的InAlGaN薄膜,通过能量色散谱(EDS),高分辨X射线衍射(HRXRD)和光致发光谱(PL)对样品进行表征与分析,研究了生长工艺对InAlGaN外延层结构和光学性能的影响.发现当以氮气做载气时,样品的发光很弱并且在550nm附近存在一个很宽的深能级发光峰;当采用氮气和氢气的混合气做载气时,样品中的深能级发光峰消失且发光强度明显提高.以混合气做载气,InAlGaN薄膜中铟的组分随生长温度的升高而降低,而薄膜的结构和光学性能却提高.结合PL和HRXRD的测试结果得到了较佳的生长参数:即载气为氢气和氮气的混合气以及生长温度在850℃到870℃.     

Effect of Misfit Dislocation Originated from Strained Layer on Photoluminescence Properties of InxGa1-xN／GaN Multiple Quantum Wells

Inx Ga1-x N/GaN multiple quantum well (MQW) samples with strain-layer thickness larger/less than the critical one are investigated by temperature-dependent photoluminescence and transmission electron microscopy, and double crystal x-ray diffraction. For the sample with the strained-layer thickness greater than the critical thickness, we observe a high density of threading dislocations generated at the MQW layers and extended to the cap layer. These dislocations result from relaxation of the strain layer when its thickness is beyond the critical thickness. For the sample with the strained-layer thickness greater than the critical thickness, temperature-dependent photoluminescence measurements give evidence that dislocations generated from the MQW layers due to strain relaxation are main reason of the poor photoluminescence property, and the dominating status change of the main peak with increasing temperature is attributed to the change of the radiative recombination from the areas including dislocations to the ones excluding dislocations.