InN以及高In组分InAIN材料的制备及相关器件的研究

【摘要】近二十年来，伴随着光电和通信技术的发展，氮化物半导体材料越来越受到人们的重视，目前基于GaN的照明技术已经相当成熟并实现了商业化，而InN材料却只是在近几年里才受到关注。InN具有很多优良特性，包括极低的电子有效质量、高迁移率、高饱和速率、窄带隙等等，尤其是其0.7eV左右的禁带宽度对应的发光波长刚好位于石英光纤通讯窗口。而InAlN合金材料的带隙可以涵盖从近红外波段到紫外波段的光谱范围，带隙调节对高性能光电器件的制备是必不可少的，通过调整Al的组分能够调整材料的禁带宽度并设计各种能带结构。本论文就InN和高铟组分InAlN材料的制备以及相关器件进行了研究。采用分子束外延（MBE）方法在蓝宝石衬底上生长了一系列的InAlN材料，研究了铝源温度和氮气流量对InAlN材料组分的影响，以及不同衬底温度对材料组分及特性的影响。合金中铝组分随铝源温度升高而变大，但是铝组分变大时外延InAlN薄膜的均匀性会变差；在氮气流量不足的情况下合金中会出现铟滴，同时铝组分随氮气流量的增加而增大，当氮气供应充足后铟滴消失，铝组分随氮气流量增加只有很小的变化。随衬底温度增加铝组分有所增大，低温下生长的InAlN材料出现了分相，同时晶体质量很差，温度较高时晶体的表面形貌会变差，490℃下生长的InAlN具有最好的形貌和晶体质量，以及最高的电子迁移率。使用光致发射谱（PL）的方法研究了铝组分与材料禁带宽度的关系，结果表明随铝组分增加其PL谱的峰位发生蓝移。通过PL峰位和铝组分之间的关系推算出的能带弯曲因子与文献报道相一致。在p-GaN衬底上制备了三种不同结构和材料的器件，分别为GaN/InN、GaN/InN/InAlN和GaN/InAlN，并研究了三个器件的特性。结果表明在GaN衬底上生长的InN/InAlN材料其表面形貌、电学特性和晶体质量相比于蓝宝石均有很大的提高。从三个器件的电致发光谱（EL）中看出InN材料能够实现电致红外发光，发光波长在1530nm左右；与GaN/InN结构相比，GaN/InN/InAlN结构能够提高器件的发光效率；成功实现了InAlN材料的电致发光，铝组分为15.8%的InAlN材料电致红外发光波长在1032nm左右，说明铝组分的加入成功的扩展了合金材料的禁带宽度。
【作者】蔡旭浦；
【导师】杜国同；
【作者基本信息】吉林大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】分子束外延；氮化铟；铟铝氮；电致发光；

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