GaN 的HVPE 生长和Fe 掺杂研究

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题名	GaN 的HVPE 生长和Fe 掺杂研究
作者	张敏
学位类别	博士
答辩日期	2012-05
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	徐科
关键词	GaN Fe 掺杂 V 型坑发光磁性
学位专业	微电子学与固体电子学
中文摘要	由于在光电子器件、功率电子器件、高频微波器件等方面的巨大应用价值，以GaN 为代表的III 族氮化物受到广泛的关注。和传统半导体不同的是氮化物半导体的产业应用走在基础研究之前，例如半导体照明已经家喻户晓，但是相关的材料物理和器件物理都还有很多问题有待深入研究，特别是材料中缺陷密度的降低、载流子的控制和掺杂。由于氮化镓的广泛应用前景，我们不仅需要高质量的本征材料，而且需要有高电导的、半绝缘的材料。Fe 掺杂是目前实现高阻氮化镓的最有效方法，但是对于Fe 在氮化镓中的光电特性研究还非常不充分。氮化镓也是有望实现室温稀磁应用的最有前景的材料体系。由于稀磁半导体在电子自旋器件方面潜在的巨大的应用前景，一直是半导体材料研究的热点。但是目前在稀磁半导体领域依然存在很多问题，例如磁性来源不确定，很难得到室温下具有铁磁性的半导体材料等。这些疑问大大制约了稀磁半导体的发展。针对上述研究现状，本论文重点开展了两方面的研究工作：一：首先详细研究了GaN 的HVPE 生长过程，深入讨论了经常出现的V 型坑形成机理及其发光性质和结构，并且建立了一种HVPE 生长过程中GaN 岛合并过程的模型；二：对GaN 的Fe 掺杂生长及Fe:GaN 的光学特性以及由Fe 引起的磁性进行了研究。具体内容如下： 1. GaN 材料的HVPE 生长及V-型坑结构和相关发光性质研究虽然HVPE 是目前应用最广泛生长GaN 体材料的方法，但是由于本身也是在异质外延生长的GaN 薄膜上同质生长，同样存在异质外延的一些缺点，例如翘曲以及表面结构缺陷。在HVPE 生长的GaN 表面经过H3PO4 腐蚀，会形成具有特殊发光性质的V-型坑结构。我们利用阴极荧光，拉曼光谱和透射电镜对这种结构进行了深入的研究。发现，应力以及载流子浓度的分布同样具有分离情况。通过TEM 得出沿着不同方向的截面却具有相同的晶面结构。通过以上分析可以推测，这种结构是在GaN 岛合并过程中形成的，在一定的环境下，生长侧面逐渐由{10-11}面转化为{11-22}面，最终合并生成连续的薄膜。其中{11-22}面具有更高的载流子浓度和较高的应力。 2 Fe 掺杂对GaN 晶体的光学，结构以及磁性的影响 a. 对Fe 掺杂GaN 的PL 光谱做了系统的测试。结果表明，由于掺杂离子对载流子的俘获作用，使GaN 的带边发光和黄光峰被抑制，但是同时引入了蓝光与红光发光。通过变温和变功率测试，表明在较高掺杂浓度的样品中，蓝光发光是由于多个能级叠加而成的，并且在偏振光谱测试中出现峰位移动和峰强变化，因此可以推测和位错有关。在红外和蓝光的PLE光谱中同时在紫光区域出现了激发光谱，由此可以推测蓝光峰相关的能级对红外发光具有贡献。然而，在发光光谱中蓝光峰并没有像黄光峰一样消失，因此，认为这部分吸收可能和Fe 杂质有关。 b. 利用TEM，HRXRD 以及EXAFS 对Fe 掺杂GaN 的结构进行了研究。发现，相比于非掺杂GaN，掺杂后的材料的位错密度增加，并且在高掺杂浓度的材料中是Fe3+和Fe2+共存的状态，而在低掺杂材料中只有Fe3+存在。另外，研究了Fe 掺杂GaN 中红外发光和蓝光发光之间的竞争关系。主要讨论了掺杂浓度和位错密度对两者之间竞争关系的影响。另外还讨论了两种发光之间的竞争关系对材料磁性的影响。 c. 在3 K 温度下，掺杂材料的PL 光谱中出现了两个激子发光，峰位位于3.463 eV 和 3.447 eV。由于这两个发光峰只在掺杂样品中观察到，因此认为是由于掺杂所引起的。通过发光峰对温度以及掺杂浓度的依赖关系，可以推断3.463 的发光峰来源于Fe 离子的受主态, 而3.447 发光峰则来源于Fe 与VN 的强束缚态。
语种	中文
公开日期	2012-09-11
内容类型	学位论文
源URL	[http://58.210.77.100/handle/332007/733]
专题	苏州纳米技术与纳米仿生研究所_测试分析平台
推荐引用方式 GB/T 7714	张敏. GaN 的HVPE 生长和Fe 掺杂研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012.