《宽禁带半导体发光材料》2.1氮化物材料的性质2

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1、大纲2.1.1概述2.1.2晶体及能带结构2.1.3氮化物缺陷2.1.4氮化物极性2.1.5化学性质2.1.6光学性质2.1.7接触特性22.1.4GaN的极性3GaN中的极性、半极性及非极性面4GaN中的极性、半极性及非极性面非极性面GaN表面形貌6非极性a面GaN(11-20)表面形貌7非极性/半极性GaN生长技术8GaNgrowninnon-polardirection•Advantages----nopolarizationfieldsalongthegrowthdirection----n

2、oquantumconfinementstarkeffect----Potentialforhighinternalquantumefficiency10c面，极性a面，非极性半极性111011（2008）GaN材料的极性Ga面极性（常见）N面极性•在GaN结构中，每一个Ga或者N都与四个N或Ga原子相连•Ga极性面——Ga原子一个键朝上，三个键朝下（一个悬挂键）•N极性面——N原子一个键朝上，三个键朝下（三个悬挂键）•N极性表面悬挂键是Ga极性表面悬挂键的3倍•N面更活泼，N极性面很容易被碱溶液腐

3、蚀（抛光/剥离）•Ga面很难被腐蚀，只在熔融的KOH或热的浓磷酸中选择性腐蚀（位错）N极性和Ga极性GaN的区别Ga极性N极性表面形貌光亮粗糙主要缺陷位错和纳米管小的反筹位错和纳米管表面电荷负正化学稳定性抗腐蚀易腐蚀表面重构1X，2X3X在1000摄氏度的热N环境没有改变N环境没有改变22分解H环境没有改变H环境Ga点22N极性GaN的用途•H与N-polarGaN的亲和力更强•用N-GaN制备的H探测器响应度更高GaN极性的控制MBE，PLD加入AlN层，提高温度，提高生长速度加入Mg、Al、G

4、a等金属插入层使用GaN缓冲层HVPEGaCl处理宝石衬底沉积ZnO、AlN等插入层使用厚的低温GaN缓冲层MOCVD注意衬底的氮化，特别是在氢气蚀刻后低Ⅴ/Ⅲ条件下生长低温GaN使用AlN插入层Ga极性面，N极性面及其性质•MOCVD生长的GaN一般为Ga极性面。通过初始生长表面的处理可以为N极性面•由于极化方向不一致，其对Mg掺杂后表面形貌的影响、金属半导体接触均有影响Ga-polarN-polar•Ga面在形貌上比较平整OnOnGaN/AlN/sapphire，光亮；N面则粗糙。Nsapp

5、hire面更容易被酸碱所腐蚀自发/压电极化•自发极化（强度）方向：沿[000-1]方向•负的极化界面电荷在仅有自发极化情形Ga面，正的极化界面电荷在N面•压电极化：取决于外延层受张应力/压应力•外延膜张应力，压电极化场方向与自发极顶层膜张应力化场相同•外延膜压应力，压电极化场方向与自发极化场方向相反17顶层膜压应力量子阱中的压电极化场•量子阱InGaN与量子垒GaN存在晶格失配，应变产生极化场•有源区能带发生倾斜，电子与空穴被分离到量子阱的不同侧•载流子波函数的重叠减少，降低了载流子复合发光概率18

6、GaN/InGaN/GaN异质结中的极化电场强度19InGaN量子阱中的压电极化强度20自发极化场•二元化合物GaN,InN，AlN分别为：-0.034C/m2、-0.042C/m2、-0.090C/m2•三元化合物（ABN）：x1-x•四元化合物：式中b为修正因子。P(AlN)=-0.09，P(GaN)=-0.034，P(InN)=-spspsp0.042，b=0.019，b=0.038，b=0.071。因为xy(1-x-y)的AlGaNInGaNAlInN值很小，在计算中最后一项通常忽略不计21

7、压电极化场•异质外延引起的应变：ε=（a-a）/a，a为衬底晶格常数，a为外subsLLsubsL延层晶格常数•二元合金：•四元合金•总极化强度为自发极化与压电极化之和：22Quantumconfinedstarkeffect(QCSE)•InGaN量子阱层压电极化场大于自发极化场，能带倾斜方向（与自发极化场引起倾斜方向）相反：•量子阱倾斜•电子、空穴波函数分离•量子阱辐射波长红移•发光峰值波长随注入电流增加而蓝移•注入大电流时，高密度的电子和空穴移向量子阱的不同方向，产生了与极化电场方向相反的电场

8、，部分削弱了量子阱内的极化场强度，致23使发光波长蓝移极性面/非极性面MQWs发光峰随入射光能量变化•c面多量子阱发光峰随注入光子能量增大有明显蓝移现象•a面多量子阱发光位置基本不随入射光子能量增大而偏移242.1.5化学性质Ga-polarN-polarOnOnGaN/AlN/sapphiresapphire25•As-grown极性与腐蚀Ga-polarN-polarOnOnGaN/AlN/saphsapphire•2MKOH/45min/90oC26N极性GaN