GaN中缺陷及黄光发光().ppt

韩 昌 报 2014/11/17 内容提要 一 GaN的基本结构 二 GaN中的缺陷和杂质 三 GaN中的位错 四 GaN中“黄带”发射 一 GaN的基本结构、参数与全色发光 1. GaN的基本结构、参数 纤锌矿结构(六方相，α相)； 闪锌矿结构(立方相，β相)； 岩盐结构(NaCl型复式正方结构) 2.GaN全色发光 非故意掺杂的GaN呈现n型，主要是由氮空位引起。 GaN基系列半导体材料，室温直接带隙宽度为InN(0.7eV)、GaN(3.4eV)、AlN(6.2eV)，覆盖了红、黄、绿、蓝、紫外光谱范围。 AlGaN三元合金随Al组分的变化带隙变化3.4eV-6.2eV对应的波长365nm-200nm。 InGaN三元合金随In组分的变化带隙变化0.7eV-3.4eV对应的波长范围1770nm-365nm。 晶体结构缺陷类型 缺陷的 类型 点缺陷 线缺陷 面缺陷 其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称零维缺陷，例如空位，反位、间隙原子和杂质原子等。 其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指位错。 其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，例如晶体表面、晶界和相界面等。 二 GaN中的缺陷和杂质 半导体在生长、退火、掺杂等过程中都会引入缺陷。这些孤立的缺陷以空位、间隙和反位形式出现。复合缺陷主要由这些缺陷合并和杂质的引入。 GaN中的本征缺陷有镓空位（VGa）、氮空位（VN），镓反位（GaN）、氮反位（NGa）、镓间隙（Gai）和氮间隙（Ni）。 GaN中本征缺陷能级 2.1 GaN中的空位 2.11 镓空位（VGa） 富镓条件下本征GaN 中的形成能 随费米能级的变化 刚生成的n-GaN 而言,费米能级位于价带顶以上3eV 左右，作为受主缺陷，VGa充当补偿中心。VGa在2?/3?, ?/2?和0/?电荷态跃迁能级分别为1.10、0.64和0.25 eV（稍低于镓的离子化能级）。在n-GaN中，VGa完全被电子填充，能够捕获光生空穴。比如，在光致发光中，它能引起来自导带电子或浅施主能级的辐射跃迁VGa的3?/2?能级。 计算表明， 的迁移能非常低，大1.9 eV，因此它在GaN生长和退火过程中能够发生迁移，甚至容易复合形成更加稳定的缺陷 。 2.12 氮空位（VN） 早期对非故意掺杂的GaN所具有的n型导电类型都归结于VN。第一原理计算表明，在n-GaN中，仅仅在富镓的条件VN才能形成到可探测的浓度。在这种情况下，来自于共振态0/?的电子将自动离子化到导带底部，形成有效质量态的跃迁。所以VN充当施主。在高于价带处VN只有一个跃迁能级3+/+，大约高出0.5±0.2 eV。其2+电荷态很不稳定，容易变成3+，其迁移能大约2.6 eV。同VGa一样，其较低的迁移能，很容易在生长或退火过程中的移动和形成更稳定的缺陷。尤其是在p-GaN中。 2.13 双空位（VGaVN） 这种双空位具有很高的形成能，因此不会形成很高的浓度。如果形成，它在GaN中产生两个深能级，在n-GaN将充当两个受主，在p-GaN充当两个施主。 ? 2.2 GaN中的间隙和反位缺陷 在GaN中，由于GaN具有很小晶格常数和Ga-N原子半径间较大的错配度，因此间隙和反位不容易形成。但在一定条件下它们还是会以很小的浓度存在。 2.21 Ga间隙（Gai） 虽然在n型或富氮条件下通过热力学平衡很难形成Gai，但通过电子照射或p-GaN生长过程中它能够形成。和VN类似，Gai在导带上充当具有共振态+/0的施主。其3+/+是深能级，具有高于价带2.5eV的能量。 ODEPR（光探测电子顺磁共振谱）表明，Gai 的2+是不稳定的，因此它能够被光学激发。Gai的迁移能大约0.9eV，因此在室温下具有高的迁移率。这表明Gai能够容易被气其它缺陷捕获，不容易以孤立缺陷而存在。 由于Ga原子非常大，因此Gai的形成能很大，造成的晶格驰豫也很大。 2.22 N间隙（Ni） N间隙就是N–N连接，它也具有很高的形成能，尤其是在富镓的情况下。 Ni在带隙中可以在不同的电荷态形成多达4个稳定的能级。N–N的间距随着Ni电荷的增加而单调递减。其 Ni 3+键长接近N2的键长。 GaN中本征缺陷的