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硅基InN单晶薄膜的RF-MBE生长及其特性研究

作　者: 郭忠杰
导　师: 高福斌
学　校: 吉林大学
专　业: 集成电路工程
关键词: 分子束外延缓冲层生长异质结氮化铟薄膜
分类号: TN304
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 91次
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内容摘要

InN作为一种禁带宽度约为0.7eV直接带隙半导体,和氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)一样,不仅在光电子器件方面有重要作用,而且在超高速微电子器件、光电集成和超高频微波器件都有着十分广阔的应用前景,特别是通过AlGaInN合金的组分调节就可以获得从0.7eV到6.2eV连续可调的直接带隙结构,也就是说通过单一体系的半导体材料就能制备出光谱范围从红外到深紫外的光电器件。相对于蓝宝石、氮化镓和碳化硅一些衬底材料,硅基氮化铟外延薄膜的结晶质量较差,但是硅衬底具有一些其他材料不可比拟的优点,如硅片制作工艺成熟,利于大规模工业化生产。所以获得结晶质量较好的Si基InN外延薄膜就变得极为重要。本论文通过对硅衬底进行化学清洗、高温退火等处理,通过RF-MBE(radio frequency plasma excited molecular beam epitaxy)获得结晶质量较好的InN缓冲层。着重研究了In源温度和衬底温度对缓冲层In/N原子比、表面形貌、X射线衍射和光致发光谱的影响。在获得的最佳生长缓冲层条件下进行了InN后续的高温生长。通过X射线衍射谱证实,得到了仅有(002)衍射峰和其次级衍射峰(004)的外延薄膜,其(002)衍射峰半峰宽为0.1752°,c轴晶格常数为0.5709nm;通过扫描电子显微镜证实,生长的InN外延薄膜形状规则,均为六方形,且为岛状生长;通过原子力扫描照片可以看出均方根粗糙度仅为6.29nm。在p-Si衬底上生长得到的InN薄膜形成n-InN/p-Si异质结二极管,通过传统真空蒸发技术在p-Si衬底背面蒸发Al作为背电极,n-InN一侧压铟。通过电流-电压源测得了器件常温和液氮温度下的I-V特性曲线,开启电压分别为2.01V和3.41V,这也证明了InN和Si的带隙具有负温度系数,并对电致发光光谱进行了测量。

全文目录

提要  4-7
第一章绪论  7-18
  1.1 引言  7-8
  1.2 氮化铟材料结构及性质  8-10
  1.3 InN 外延薄膜的生长难点  10-11
  1.4 InN 薄膜生长工艺及其研究进展  11-16
    1.4.1 溅射技术  12
    1.4.2 卤化物气相外延  12-13
    1.4.3 脉冲激光沉积  13
    1.4.4 金属有机化学气相淀积  13-15
    1.4.5 分子束外延  15-16
  1.5 研究课题的选取  16-17
  1.6 本论文的主要研究内容及工作安排  17-18
第二章射频分子束外延生长系统及表征方法  18-32
  2.1 引言  18-19
  2.2 分子束外延生长及其特点  19-22
  2.3 射频等离子体分子束外延设备简介  22-28
  2.4 外延薄膜质量表征方法  28-32
    2.4.1 X 射线光电子能谱  28-29
    2.4.2 X 射线衍射（XRD）  29-30
    2.4.3 扫描电子显微镜（SEM）  30
    2.4.4 原子力显微镜（AFM）  30-31
    2.4.5 光致发光谱（PL）  31-32
第三章 InN 外延薄膜缓冲层生长及优化  32-43
  3.1 衬底的处理  32-33
  3.2 不同In 源温度下的薄膜特性分析  33-37
    3.2.1 SEM 分析  33-35
    3.2.2 光电子能谱分析  35-36
    3.2.3 XRD 分析  36-37
  3.3 不同衬底温度下的外延薄膜特性分析  37-41
    3.3.1 SEM 分析  38-39
    3.3.2 XRD 分析  39-40
    3.3.3 光致发光谱分析  40-41
  3.4 本章小结  41-43
    3.4.1 不同铟源温度对生长InN 外延薄膜的影响  41
    3.4.2 不同衬底温度下的InN 外延薄膜的生长  41-43
第四章 InN 薄膜后续生长及异质结特性研究  43-53
  4.1 薄膜生长  43
  4.2 结果与分析  43-49
    4.2.1 光电子能谱分析  43-46
    4.2.2 XRD 分析  46
    4.2.3 SEM 分析  46-47
    4.2.4 AFM 分析  47-48
    4.2.5 PL 谱分析  48-49
  4.3 n-InN/p-Si 异质结器件的制备  49
  4.4 n-InN/p-Si 异质结电学特性研究  49-52
  4.5 本章总结  52-53
参考文献  53-59
致谢  59-60
摘要  60-63
Abstract  63-66

硅基InN单晶薄膜的RF-MBE生长及其特性研究

内容摘要

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