AlN薄膜外延生长及光电性能研究

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1、StudyofEpitaxialgrowthandoptoelectronicpropertiesofAlNthinfilmsADissertationSubmittedtotheGraduateSchoolofHenanUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceByXiuwenChenSupervisor:Prof.ZhangWeifengAssociateProf.JiaCaihongMay.,

2、2013关于学位论文独创声明和学术诚信承诺本人向河南大学提出硕士学位申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。在此本人郑重承诺：所呈交的学位论文不存在舞弊作伪行为，文责自负。学位申请人（学位论文作者）签名：2013年月

3、日关于学位论文著作权使用授权书本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全了解并同意河南大学有关保留、使用学位论文的要求，即河南大学有权向国家图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文（纸质文本和电子文本）以供公众检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校学术发展和进行学术交流等目的，可以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手段保存、汇编学位论文（纸质文本和电子文本）。（涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书）学位获得者（学位论文作者）签名：2013年月日学位论文指

4、导教师签名：2013年月日摘要高效率的紫外线（UV）发光二极管（LED）和激光二极管在节能固态照明，微电子光刻技术，高密度数据存储，生物医学分析和环境科学等领域都有着极为广泛的应用前景，它的这些优良特性也吸引着研究者的极大兴趣。GaN，AlGaN基合金等III-V族氮化物半导体包括是目前开发紫外和深紫外发光二极管使用最广泛的材料。近来证明一个基于氮化铝的LED发光器件发出波长为210nm的深紫外光，已经证实来自于AlN的带边发光（带隙为6.2eV）。AlN基LED的210nm发光是迄今报道的所有种类的发光二

5、极管中最短波长，同时这也引起研究者对氮化铝基的深UV光发射器件广泛兴趣。采用激光分子束外延技术，相同的实验条件下分别在c面蓝宝石和(111)MgO衬底上外延单畴(0002)AlN薄膜。XRDθ-2θ和Φ扫描结果显示其关系为(0002)[11-20]AlN//(111)[0-11]MgO、(0002)[11-20]AlN//(0006)[01-10]sapphire。XRDω扫描结果看出(111)MgO衬底上AlN外延膜的半高宽比蓝宝石衬底上小，晶体质量高。AFM二维表面图显示MgO衬底上薄膜表面为链接的六方

6、凹坑，蓝宝石衬底薄膜表面表现为分立的凸起。MgO和蓝宝石衬底上生长AlN的粗糙度分别为1.5nm和0.64nm。用KOH刻蚀已生长的AlN薄膜表面发现蓝宝石衬底上薄膜表现表现为N极性，而MgO衬底上薄膜表现为Al极性。光学透过谱表明AlN薄膜具有很高的光学透过性。MgO和蓝宝石衬底上AlN薄膜的光学帯隙为5.80eV和5.93eV。依据Urbach的经验公式计算AlN/MgO和AlN/sapphire的EU值分别为0.27eV和0.53eV，较大的EU值显示了N-polarAlN薄膜拥有更多的非晶成分和缺陷

7、或杂质。以上结果表明，Al-polarAlN薄膜相对于N-polarAlN薄膜含有更少的杂质/缺陷，具有更高的晶体质量。光致发光测试发现薄膜仅在378nm附近有一个荧光发出，对应的能量约为3.27eV。分析原因主要由N的缺陷O杂质或反位缺陷等深能级跃迁辐射产生。最优条件下，在Si衬底上制备了单一取向(0002)AlN薄膜，并在此基础上制备Au/(0002)AlN/(111)Si/Al异质结，探究其电学性质。I-V特性曲线表明，结构具有很好的整流特性。对室温下的I-V特性的log-log曲线进行拟合发现电流的

8、传输分三个阶段：电流和电压的线性关系阶段，此阶段电流主要由隧道电流传输主导；宽带隙材料中常见的空间电荷层的重组阶段；重组后电路等效为串联电阻阶段。后两个阶段符合空间电荷限I制传导机制。通过对阻抗（Cp-V，Gp-V）特性曲线的转化，分析了(0002)AlN/(111)Si界面的态密度分布情况。结果表明界面态主要分布在距离Si衬底的价带顶~0.25eV附近，-12-2主要由浅能级缺陷或杂质组成。异质结的界面态密度约