藍(lán)寶石上高電子遷移率 AlGaN與GaN結(jié)構(gòu)材料的研究

1、李建飛藍(lán)寶石上高電子遷移率 AlGaN/GaN材料的研究目錄2. 樣品介紹樣品介紹4. 實驗結(jié)果與分析 3. 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 1. 霍爾測試霍爾測試可測試材料：半導(dǎo)體、金屬、超導(dǎo)體；薄膜和塊狀材料；單晶和多晶；單載流子和多載流子。應(yīng)用:測量半導(dǎo)體材料的載流子濃度、遷移率、霍爾系數(shù)等重要參數(shù)。通過測量活動載流子的密度來檢查摻雜效力。檢查諸如：CVD和MBE的半導(dǎo)體生長系統(tǒng)的純度?？刂瓢雽?dǎo)體生產(chǎn)中的質(zhì)量。 1、霍爾效應(yīng) 將一塊半導(dǎo)體或?qū)w材料，沿Z方向加以磁場B，沿X方向通以工作電流I，則在Y方向產(chǎn)生出電動勢VH，如下圖所示，這現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 VH稱為霍爾電壓。 實驗表明，在磁場不太強時，電

2、位差與電流強度I和磁感應(yīng)強度B成正比，與板的厚度d成反比，即dIBRVHHHR 稱為霍爾系數(shù)霍爾系數(shù) 洛侖茲力與電場作用力達(dá)到平衡時，我們能夠得到洛侖茲力與電場作用力達(dá)到平衡時，我們能夠得到VBbVH 若N型單晶中的電子濃度為n，則流過樣片橫截面的電流 I=nebdV nebdIV IBKdIBRIBnedVHHH1所以neRH1稱為霍爾系數(shù)霍爾系數(shù) nedKH1稱為霍爾元件的靈敏度霍爾元件的靈敏度 根據(jù)電位可以知道半導(dǎo)體的類型，是n型還是p型 如果霍爾元件的靈敏度已知，測得了控制電流和產(chǎn)生的霍爾電壓，則可測定霍爾元件所在處的磁感應(yīng)強度。 高斯計就是利用霍爾效應(yīng)來測定磁感應(yīng)強度B值的儀器。 H

3、HVBIK 載流子濃度。因RH=1/ne（或1/pe），故可以通過測定霍爾系數(shù)來確定半導(dǎo)體材料的載流子濃度n（或p）（n和p分別為電子濃度和空穴濃度）。IBdVRHH 結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率u電導(dǎo)率與載流子濃度及遷移率之間有如下關(guān)系由 可得 。nene1HR|uHR樣品信息 Mg 的GaN 外延層,以及AlN,AlGaN外延層 , 生長溫度在 1000 1200之間,生長壓力控制在500030000Pa之間 。 鎂摻雜量分別為0 0.1 0.15mol/min 樣品信息生長了A,B,C,D,E五個HEMT 樣品 我們只是改變AlN 的厚度d, d 從分別為0 0.69 1.15 1

4、.38 1.61 nm實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 對于生長的Mg摻雜GaN材料和AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料 , 分別利用X射線雙晶衍射、PL光譜、汞探針C-V和范德堡Hall進(jìn)行了測試分析 。實驗結(jié)果與分析本征GaN的黃光峰位于 573 nm,藍(lán)光峰位置在441nm,而本征峰在362nm。隨著Mg摻雜的增加 , 黃光峰的峰位下降。隨著Mg摻雜的增加 , 藍(lán)光峰的峰位上升。382nm的峰增強。 Mg 摻雜對 G aN 緩沖層 P L 光譜的影響實驗結(jié)果與分析 Mg 摻雜對 G aN 緩沖層 P L 光譜的影響黃光峰主要來源于GaN緩沖層中的Ga空位 , 藍(lán)光峰來源于N空位。當(dāng)緩沖層中引入Mg雜質(zhì)時,M

5、g原子替代Ga空位。電子從導(dǎo)帶下 N 空位的替位 Mg 原子的能級到價帶上Ga空位的替位 Mg 原子的能級的躍遷引起。是由于電子從 Mg 間隙原子能級到價帶的躍遷引起。實驗結(jié)果與分析（其他文獻(xiàn)） Mg 摻雜對 G aN 緩沖層 P L 光譜的影響 藍(lán)帶（424nm）是由獨立的受主（MgGa）和離導(dǎo)帶底430meV的深施主能級復(fù)合所產(chǎn)生的，其中深施主能級是指受主MgGa和臨近的氮空位VN或其它雜質(zhì)能級通過補償形成的相應(yīng)的復(fù)合體MgGaVN.氮空位VN是MOVPE生長過程中高氮氣平衡蒸氣壓下產(chǎn)生的缺陷，在1000C左右的生長溫度下VN濃度很大。實驗結(jié)果與分析Mg 摻雜對 G aN 緩沖層晶體質(zhì)量的

6、影響隨著Mg 摻雜的提高,非對稱的 (102) 搖擺曲線半寬變寬,GaN峰的半寬從非摻雜的300增加到 380,穿透位錯密度增加。對稱的(002) 搖擺曲線GaN峰的半寬從非摻雜的261增加到330秒, 螺旋位錯和混合位錯密度也增加 , 晶體質(zhì)量明顯變差。Hall測試中隨著Mg摻雜量的增加,晶體逐漸呈現(xiàn)高阻特性。實驗結(jié)果與分析 Mg 摻雜對 G aN 緩沖層 P L 光譜的影響 因為在Mg摻雜的過程中, 大部分Mg原子是以間隙原子的形式存在于晶體中, 由于 Mg 比Ga的原子半徑大 , 在 Mg 替代Ga以后會引起壓應(yīng)力,另外也由于間隙Mg原子的增加 , 從而會引入更多的缺陷和位錯 , 加劇了

7、GaN緩沖層的無序化程度。由于缺陷的增加 , 使得 G aN 緩沖層的電子陷阱密度增加 , 因而緩沖層的自由電子數(shù)減少,導(dǎo)致GaN緩沖層的電阻率提高 。實驗結(jié)果與分析 AlN插入層對HEMT結(jié)構(gòu)材料的影響沒有AlN插入層的HEMT結(jié)構(gòu)的2DEG濃度較低 ,NS的乘積較小。當(dāng)AlN厚度為 1.15 nm 時 , C 樣品的N S 的乘積達(dá)到最大值 21381016/Vs。當(dāng)AlN的厚度進(jìn)一步增加時 , NS的乘積隨著減小 。實驗結(jié)果與分析 AlN插入層對HEMT結(jié)構(gòu)材料的影響 由于AlN層的插入,導(dǎo)帶失調(diào)增加,電子穿透AlN層進(jìn)入Al0.3Ga0.7N 層的幾率減小 , 界面處合金無序散射減小

8、, 增加了遷移率 , 同時也使得 2DEG 增加。因而對于一定厚度的AlN,NS增加 。 隨著 AlN 厚度的進(jìn)一步增加，界面的懸掛鍵增加 , 使得異質(zhì)結(jié)界面的缺陷增加 , 電子被捕獲的幾率增加 , 因而 E 樣品的NS的乘積反而減小。 實驗結(jié)果與分析 HEMT結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量表征GaN衍射峰半高寬FWHM為242.3 弧秒,AlGaN組分0.30 , 厚度約 20 nm , 組分比設(shè)計略高。從圖中可以看到厚度干涉射峰明顯 ,表明生長的HEMT 結(jié)構(gòu)材料界面陡峭 , 晶體質(zhì)量良好。實驗結(jié)果與分析 Mg 摻雜對 G aN 緩沖層 P L 光譜的影響 該材料漏電很小 , 夾斷特性好 , 夾斷電壓約為 - 513V , 可以證明該材料 G aN 緩沖層質(zhì)量很好 。實驗結(jié)果與分析 Mg 摻雜對 G aN 緩沖層 P L 光譜的影響 室溫Hall測試結(jié)果為:方塊電阻 RS = 260.3/sq , 2DEG載流子面密度NS =1.211013/ cm2,遷移率=1970 cm