分子束外延高Al组分AlGaN薄膜及Si掺杂研究

实现电学性能优良的高Al组分AlGaN外延层是制备深紫外光电器件最重要的环节之一。本工作利用分子束外延(MBE)技术,基于周期热脱附的生长方式,通过改变Al源供应量调控Al组分,并用Si进行n型掺杂,在AlN/蓝宝石衬底上得到了系列高Al组分的Si-Al_(x)Ga_(1-x)N外延层(x>0.60)。对外延层相关物理性质进行了表征测试,结果表明,外延层Al组分与生长过程中Al束流大小呈现线性关系,这为制备精确Al组分的AlGaN外延层奠定了基础。AFM结果表明,高Al组分AlGaN外延层的表面形貌强烈依赖于Ga的供应量,在生长过程中提高Ga束流可以显著降低外延层的粗糙度。基于范德堡法测量Si-AlGaN外延层电学性能,证实其载流子特性良好,其中Al组分为0.93的样品室温下自由电子浓度、电子迁移率和电阻率分别达到了8.9×10^(18)cm^(-3)和3.8 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)和0.18Ω·cm。

Al组分对MOCVD制备的Al_xGa_(1-x)N/AlN/GaNHEMT电学和结构性质的影响

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同Al组分(x=0.19,0.22,0.25,0.32)的Al x Ga1-x N/AlN/GaN结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)材料。研究了Al x Ga1-x N势垒层中Al组分对HEMT材料电学性质和结构性质的影响。研究结果表明,在一定的Al组分范围内,二维电子气(2DEG)浓度和迁移率随着Al组分的升高而增大。然而,过高的Al组分导致HEMT材料表面粗糙度增大,2DEG迁移率降低,该实验现象在另一方面得到了原子力显微镜测试结果的验证。在最佳Al组分(25%)范围内,获得的HEMT材料的2DEG浓度和室温迁移率分别达到1.2×1013cm-2和1 680 cm2/(V·s),方块电阻低至310Ω/□。

新型Al组分渐变结构的N极性GaN基HEMT中二维电子气研究

提出了一种含有Al N插入层的新型Al组分渐变的N极性Ga N基高电子迁移率晶体管(HEMT)结构,并通过自洽求解一维薛定谔方程和泊松方程,仿真研究了该新型N极性HEMT结构的二维电子气特性。结果表明采用该新型N极性HEMT结构其体载流子浓度峰值与普通Al组分渐变N极性HEMT结构相比提高了12%。同时定义了Al组分从大到小渐变层和从小到大渐变层厚度之比R及最大值xmax,仿真表明二维电子气面密度随R增大而减小,而xmax超过0.4后二维电子气面密度出现饱和趋势。

高Al组分N-Al_xGa_(1-x)N材料的欧姆接触

基于各层金属间在快速热退火时容易合金化及Ti,Al易被氧化的特点,在高Al组分N-AlxGa1-xN(x≥0.45)材料上溅射生长多层金属Ti/Al/Ti/Au,并且变化Ti,Al比例以及改变退火温度和时间,得到了金属与高Al组分N-AlxGa1-xN(x≥0.45)材料间的欧姆接触,由传输线模型方法测试得比接触电阻为4.9×10-2Ω.cm2。实验中用到的样品为P(Al0.45Ga0.55N)/i(Al0.45Ga0.55N)/N-Al0.63Ga0.37N多层结构的材料。最后,利用伏安特性和俄歇电子能谱深度分布(AES)研究金属与高Al组分的材料之间形成欧姆接触的原因。

A1GaInP四元系材料双异质结发光二极管的最佳Al组分分析

鉴于双异质结发光二极管(DH—LED)限制层的Al组分的不确定性,本文通过分析载流子在双异质结中的输运及受约束情况,从理论上剖析了Al组分确定为一个最合适的取值时,有源层中的载流子应有一个最大数量的复合,此时LED的复合效率最高、发光最强。这个最佳Al组分的确认,对于器件结构设计以及相关的MOCVD材料生长有指导意义。

Al组分对AlGaN/GaN量子级联激光器性能的影响

通过对激光器一个周期单元的一维薛定谔方程与泊松方程进行自洽求解,得到了能带与电子波函数的分布情况,并且计算了在近共振条件下偶极跃迁元与垒层Al组分的关系,得到了Al组分的优化结果。结果表明,垒层材料的Al组分大约等于0.15时激光器的偶极跃迁元最大,此时激光器处于垂直跃迁工作状态。

掺杂与Al组分对AlGaInP四元系LED发光效率的影响

在AlGaInP四元系双异质结发光二极管 (DH LED)的材料生长过程中 ,限制层的Al组分与p型掺杂浓度的确定有较大的随意性 ,这对LED的发光不利。通过分析载流子在发光二极管 (LED)双异质结中的输运情况 ,得到了在不同的p型掺杂程度下 ,限制层Al组分与LED发光效率的关系 ,从而可以探索p型掺杂与Al组分对发光效率影响的规律 。

高Al组分n-AlGaN的Ti/Al/Ti/Au欧姆接触

采用Ti/Al/Ti/Au多层金属电极对高Al组分n-AlxGa1-xN(x=0.6)欧姆接触的制备进行了研究,通过优化Ti接触层厚度以及合金退火条件,获得了较低的比接触电阻率(5.67×10-5Ω.cm2)。研究证实,Ti接触层厚度对欧姆接触特性有着重要影响,同时发现,高低温两步退火方式之所以能够改善欧姆接触特性的本质是与Al3Ti及TiN各自的生成条件直接相关,即低温利于生成Al3Ti,高温利于生成TiN,而这对n型欧姆接触的有效形成至关重要。

GaN基三阱量子级联激光器结构的垒层Al组分分析

基于不同的研究者报道的AlGaN/GaN三阱式量子级联激光器的垒层有不同的Al组分,通过对激光器一个周期单元的一维薛定谔方程与泊松方程进行自洽求解,得到了能带与电子波函数的分布情况,并且计算了在近共振条件下偶极跃迁矩阵元与垒层Al组分的关系,得到了Al组分的优化结果.

Al_xGa_(1-x)As材料低Al组分PL测试技术的研究

采用激光显微光致发光(PL)光谱仪测试了低Al组分AlxGa1-xAs的室温显微光致发光谱,研究了光致发光测试方法的特点,结合文献中报道的低Al组分的经验计算公式,自主开发了能进行光谱数据处理和Al组分计算的VB应用程序,目前已进入实用化。结果显示,该程序的开发和应用是获取低Al组分AlxGa1-xAs材料Al组分的非常重要的表征手段,并为研究和优化AlxGa1-xAs材料生长工艺提供指导,同时还成为筛选用于制作器件工艺合格材料的重要依据。

电子阻挡层Al组分对GaN基蓝光激光二极管光电性能的影响

采用SiLENSe(Simulator of light emitters based on nitride semiconductors)软件仿真研究了Al_(x)In_(y)Ga_(1-x-y)N电子阻挡层(EBL)Al组分渐变方式对GaN基激光二极管(LD)光电性能的影响,实现了提高输出功率和电光转换效率的目的。文中提出的四种Al组分渐变方式分别是传统均匀组分、右阶梯渐变组分(0~0.07~0.16)、三角形渐变组分(0~0.16~0)、左阶梯渐变组分(0.16~0.07~0)。结果表明,与传统均匀组分EBL结构相比,Al组分阶梯渐变Al_(x)In_(y)Ga_(1-x-y)N EBL LD导带底的电子势垒显著提高,价带顶的空穴势垒降低。这主要是由于该结构能有效抑制电子泄漏和提高空穴注入效率,从而提高有源区载流子浓度,进而提高有源区辐射复合效率。当注入电流为0.48 A时,采用Al组分阶梯渐变Al_(x)In_(y)Ga_(1-x-y)N EBL结构能将器件开启电压从5.1 V降至4.9 V,光学损耗从3.4 cm^(-1)降至3.29 cm^(-1),从而使光输出功率从335 mW提高至352 mW,电光转换效率从12.5%提高至13.4%。此外,讨论了Al组分阶梯渐变EBL结构对GaN基蓝光LD光电性能的影响机制。该结构设计将为外延生长高功率GaN基LD提供实验数据和理论支撑。

Mg杂质调控高Al组分AlGaN光学偏振特性

高Al组分(即原子分数)AlGaN带边发光以e光为主的发光特性,从根本上限制了沿c面生长器件的正面出光,成为光电器件发光效率急剧下降的主要原因.第一性原理模拟计算表明,AlxGa1-xN混晶的晶格常数比c/a偏离理想值程度随Al组分的增大而增大,导致晶体场分裂能Δcr从GaN的40meV逐渐减小;当组分达到0.5时呈现0值,Al组分继续提升,Δcr进一步下降,价带顶排列顺序翻转,直至AlN达到最低值-197meV.通过Mg掺杂应变AlGaN量子结构能带工程调控高Al组分AlGaN的价带结构,反转价带顶能带排序,实现光发射o光占主导,从根本上克服高Al组分AlGaN发光器件正面出光难的问题.

氟基等离子体处理对高Al组分AlGaN肖特基接触反向漏电的改善

在沉积肖特基金属之前,对非掺的Al0.45Ga0.55N采用了不同时间的氟基等离子体处理,其中Al组分对应日盲波段。与未做氟基等离子体处理的样品相比,经过处理的Al0.45Ga0.55N肖特基二极管在反向-10V的漏电流密度随处理时间的增加而减少,其中处理1min的样品的漏电流密度减少了5个数量级。X射线光电子谱分析证明了处理过的样品表面Ga-F和Al-F键的形成。反向漏电的减少可能是由氟基等离子体处理耗尽了电子和有效钝化了表面态导致的。

具有Al组分V型渐变电子阻挡层的深紫外LED设计与分析

为了使基于AlGaN外延材料的深紫外发光二极管(DUV LED)的内量子效率(IQE)随驱动电流的增大而降低的幅度减小,有助于DUV LED在一个较大的驱动电流区间可以稳定地工作,提出并研究具有Al组分V型渐变P型电子阻挡层(P-EBL)结构的DUV LED。通过Crosslight APSYS软件对常规P型电子阻挡层(P-EBL)和Al组分V型渐变P-EBL结构DUV LED的能带、极化体电荷、电子电流、空穴浓度、内量子效率、输出功率和自发辐射光谱进行了数值研究。结果表明,在260 mA电流注入时,相比常规P-EBL结构,Al组分V型渐变P-EBL结构DUV LED的效率降低的幅度减小了5.86%,改善了DUV LED输出性能。根据数值模拟和分析,器件输出性能改善的原因是Al组分三角形渐变P-EBL沿生长方向产生的极化体电荷,抵消P-EBL与最后一个量子垒层异质结界面处存在的极化面电荷,从而减小了界面处的极化电场。

LED外延结构中渐变式Al组分的电子限制层

根据外延结构应力导致的极化引起的能带弯曲理论,采用渐变式Al组分的电子限制层(EBL层),可有效提升电子限制能力,同时降低了该层和P-GaN层之间的晶格失配,提高了P-GaN层的外延质量,得到了发光效率更高的GaN基LED外延片。

高Al组分AlGaN/AlN/GaN量子级联结构的MOCVD外延研究

阐述高Al组分差的GaN/AlN/AlGaN量子级联紫外-红外双色探测结构的设计,并用MOCVD外延实现过程。通过MOCVD监控分析GaN/AlN/AlGaN量子级联结构生长状况,发现外延AlGaN层的整体Al组分偏低。随后用SEM观测样品表面形貌存在凸起,从截面测量各个结构厚度符合设计,用Cary7000分光光度计测试得到279nm以及1 700~1 900nm双色吸收峰。

Al组分含量对CuZnAl催化剂CO加氢制乙醇和高级醇性能影响

随着原油储量的减少和环境问题的加剧,迫切需要寻找生产燃料和化学品的新技术。Cu基催化剂是合成气直接制乙醇和高级醇(C_(2+)醇)的重要催化剂之一,但存在目标产物选择性低的问题。采用完全液相法制备了一系列不同Al组分含量(n(Al)/n(Zn)计)的CuZnAl催化剂(Cat-Alx),结合X射线衍射、N_(2)吸/脱附和H_(2)-程序升温还原等对催化剂的物相组成、织构性质和还原性能等进行了表征。在模拟浆态床反应器中研究了Cat-Alx对CO加氢制乙醇和C_(2+)醇反应的催化性能。结果表明,Cat-Al0.8表面具有最丰富的Cu^(+)物种以及较多的氧空位,表现出相对最优的催化性能。在280℃、4 MPa和V(H_(2))/V(CO)=2/1的条件下反应24 h,Cat-Al0.8的CO转化率为18.45%,总醇选择性为30.34%,乙醇在总醇中的占比为30.19%,C_(2+)醇在总醇中的占比为48.08%。

高Al组分AlGaN材料优化生长与组分研究

研究了金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)系统外延高Al组分较厚AlGaN薄膜材料的生长技术。实验发现,AlGaN/GaN结构中的AlGaN材料的相分离现象可能是由于过低的生长V/III以及材料所受的张应力状态所致,而V/III过高时则会出现Al源的并入效率饱和。采用AlN过渡层技术,外延生长了表面无裂纹的45%Al组分较厚(100～200nm)AlGaN薄膜材料。所得材料的Al组分与气相Al组分相同,(0002)面X射线衍射(XRD)双晶摇摆曲线半高宽(FWHM)为376arcsec,并发现AlN过渡层的质量影响着其上AlGaN材料的Al组分与晶体质量。实验观察到AlGaN材料的表面形貌随着样品中Al组分的增加从微坑主导模式逐步转变为微裂主导模式,采用AlN过渡层可延缓这一转变。

Al组分对GaAs/Al_xGa_(1-x)As量子阱红外探测器峰值响应波长的修饰

为了确定量子阱红外探测器(QWIP)峰值响应波长与势垒中Al组分的关系,建立微观结构表征与宏观特性的关系,设计不同组分含量的实验样品,对样品进行相应的测试,分析探讨了Al组分与理论峰值波长的关系。利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长GaAs/AlxGa1-xAs量子阱材料,分别制备出势垒中Al组分为0.23、0.32的1#、2#样品。用傅里叶光谱仪分别对其进行77K液氮温度下响应光谱测试及室温光致荧光(PL)测试。响应光谱结果显示,1#、2#样品峰值响应波长分别为8.36、7.58μm,与由薛定谔方程计算得到的峰值波长9.672、7.928μm的误差分别为15.6%、4.6%。利用高分辩透射扫描电镜(HRTEM)对样品进行分析发现,GaAs与AlGaAs晶格的不匹配及量子阱材料生长过程精度控制不够是造成1#样品误差较大的主要原因,说明势垒中Al组分x减小致使量子阱中的子带间距离逐渐缩小,导致峰值响应波长红移。PL实验结果与理论计算相符合,说明改变势垒中Al组分x可实现QWIP峰值波长的微调。

Al组分三角形渐变P-EBL结构AlGaN基DUV LED数值分析

效率陡降严重影响AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)的输出性能,也是近年来DUV LED的一个瓶颈性问题。对常规电子阻挡层(P-EBL)和Al组分三角形渐变P-EBL两种结构DUV LED进行了数值分析。研究了能带、电子电流、空穴浓度、电场、内量子效率、输出功率和自发辐射光谱的分布特性。模拟结果表明,在260 mA电流注入时,相比常规PEBL结构,Al组分三角形渐变P-EBL结构DUV LED的效率陡降减小了5.85%,改善了DUV LED输出性能。根据数值模拟和分析,器件输出性能改善的原因是Al组分三角形渐变P-EBL结构提高导带势垒高度和增强空穴在P型区域获得的动能,从而减小电子泄漏,并提高了空穴注入效率。