ganalgan多量子阱薄膜微结构与光电性能研究-microstructure and photoelectric properties of gan algan multi-quantum well thin films.docx

摘要GaN 基多量子阱薄膜在紫外和红外探测领域有着重要的应用前景，同时其 探测性能又在很大程度上受制于外延薄膜的晶体质量，所以对外延薄膜的晶体 质量和缺陷展开研究具有重要的意义。本文设计生长了基于 GaN/AlGaN 多量子 阱的外延薄膜，研究了不同中间层生长工艺对外延薄膜的形貌、缺陷和界面结 构的影响，同时对多量子阱薄膜的光学和电学性能进行了表征，获得了基于量 子阱子带能级跃迁的中波红外吸收，并综合分析了薄膜的微观缺陷对量子阱子 带间跃迁的影响。论文的主要研究内容包括：利用薛定谔方程和泊松方程自洽求解的方法计算了不同工艺条件下量子阱 中的导带和子能级的分布特性。当量子阱阱层掺杂浓度在 1019-1020cm-3 范围时 将显著改变子带能级的分布，引起子带间跃迁能级的偏移；盖层 Al 组分的增加 改变了极化电场，使得子带间吸收波长发生蓝移；当多量子阱薄膜的位错密度 低于 1010cm-2 时，位错密度的变化不能改变量子阱子带的能级分布；在相同厚 度和等效 Al 组分情况下，GaN/AlN 短周期超晶格中间层比 AlGaN 中间层所需 的弛豫厚度大，受此影响的量子阱层周期厚度波动范围加大，由此降低了量子 阱能级的对称性，从而降低了子带间吸收的强度。利用金属有机物化学气相沉积方法生长了具有不同中间层结构 的 GaN/AlGaN 多量子阱薄膜，通过光学显微镜和扫描电镜对表面裂纹进行分析后 发现，裂纹主要沿11-20方向，中间层的插入在一定程度上释放了应变，降低 了裂纹密度。原子力显微镜观察证明了表面的台阶流生长模式，同时观察到螺 位错导致的六方形螺旋小丘表面。通过高分辨 X 射线衍射和高分辨透射电镜对样品的晶体质量和界面结构进 行了分析，发现外延薄膜各层与衬底间属于赝晶生长，插入 AlGaN 中间层的样 品其量子阱周期性良好，界面平直且陡峭，通过 Z 衬度像对量子阱层各层成分 进行分析后发现各层成分分布均匀，GaN 层和 AlGaN 层间没有 Al 元素的扩散。利用高分辨透射电镜和傅立叶变换处理技术对各层界面微结构进行了分 析。发现 GaN 缓冲层与 α-Al2O3 衬底界面处存在大量的位错和层错等缺陷，很 好的释放了失配应力； AlGaN 中间层的引入阻挡了来自于 GaN 缓冲层的位错， 同时又产生了新的失配位错，但均被限制在界面处，从而提高了量子阱功能层 的晶体质量；GaN/AlN 短周期超晶格中间层的引入并没有对位错传播和膜层应 力状态产生明显影响；分析了 V 型缺陷和位错类型之间的关系。通过弱束暗场技术对位错分布、密度和类型进行了分析，发现位错以刃型位错为主，位错密度在 108-109cm-2 范围内，穿透位错起源于 GaN 缓冲层与 α-Al2O3 衬底界面，并向上传播，在不同界面处受到一定程度的阻挡。表征了四 种位错反应类型；利用几何相位分析技术分析了界面处应力场的变化，通过明 暗衬度确定了位错的应变状态。利用阴极荧光和扫描电镜技术，研究了表面裂纹、V 型坑和位错对多量子 阱薄膜发光特性的影响。研究表明多量子阱薄膜的发光谱中峰值波长在 550nm 的发光峰来源于杂质原子和点缺陷等形成的缺陷能级辐射复合发光所致；表面 位错作为非辐射复合中心，表面 V 型坑不发光，但降低了载流子浓度和迁移率， 进而降低了子带间吸收的强度。利用傅立叶红外光谱技术，研究了GaN/AlGaN多量子阱薄膜的红外吸收特 性。测试结果显示插入AlGaN中间层的样品存在峰值波长在3.75μm的中波红外 吸收，分析认为其对应于量子阱1、2子能级的跃迁。综合分析后认为高的位错 密度和量子阱周期厚度的不均匀引起的极化电场减弱和载流子浓度降低是导致 子带间跃迁消失的主要原因。通过对GaN/AlGaN多量子阱薄膜显微结构的深入分析，揭示了显微缺陷与 薄膜制备工艺之间的关联规律，并在“能带工程”基础上进一步分析了显微结构 与薄膜的光学和电学性能之间的内在关系，为基于GaN/AlGaN多量子阱材料实 现中波红外探测奠定了基础。关键词：多量子阱；微结构；子带跃迁；位错；光电性能；GaNAbstractNowadays, GaN-based Multiple Quantum Well (MQW) films have been attracted much attention as a candidate for photodetector which could be used in ultraviolet and infrared region. Detector performance is highly influenced by the crystal quality of epitaxial films, therefore, the study on th