论文部分内容阅读
氮化铝(AlN)是直接带隙半导体，禁带宽度为6.2eV，近来被用来做金属—绝缘体—半导体(MIS)结构的绝缘体。与传统的作为绝缘体的SiOx相比，AlN具有更好的晶体质量，较大的介电常数，且更适用于以Ⅲ族氮化物为基的MIS结构。氮化铝还具有电子饱和漂移速度高、抗辐照能力强、热稳定性良好、热导率高、声波速率极高等独特的特性，在紫外光波段光电器件和高频大功率、高温电子器件、表面声波器件等方面倍受青睐。因此AlN是近年来半导体光电子、微电子学研发的热点之一。
本论文针对目前AlN材料研究中存在的问题，主要采用了光致发光谱(PL)、光致发光激发谱(PLE)和Raman等技术，对薄膜材料中与缺陷相关的发光性质和缺陷能级的位置与来源以及它们随温度和应力的变化规律进行了详细的研究，并取得了一系列有意义的结果，其主要结果如下：
1．研究了基于Al2O3和GaN/Al203基的AlN薄膜的缺陷能级。AlN/Al2O3样品中发现了三个施主能级和两个受主能级。由于用MOCVD方法生长的AlN薄膜内会引入氮空位，铝空位和氧杂质，所以在Al2O3衬底上生长的AlN样品存在缺陷能级。研究显示其中氮空位具有两个电子态，能量分别对应于5.35eV和3.80eV，而氧占据氮空位对应3.30eV，铝空位及其与氧杂质形成的复合能级分别对应于1.13eV和0.40eV。AlN/GaN/Al2O3样品中观测到了GaN的393nmPL谱峰，而AlN峰的位置同AlN/Al2O3样品的一致。此外，对AlN/GaN/Al2O3样品的分析还发现V+N缺陷的不稳定性，它会向V3+N缺陷转化。
2．通过观察AlN/Al2O3样品的变温PL谱的各个峰的相对变化，发现除了323nm峰外，其它峰的强度随着温度的变化都在下降，尤其以361nm和425nm峰的强度下降的尤为明显。这说明对应于这些峰的辐射复合，其复合过程与AlN薄膜的潜受主能级密切相关。由变温PL谱所得到的这个结论与先前对缺陷能级的分析和发光机制的讨论相符合，进而很好的验证了我们对AlN缺陷能级的分析。
3．采用Raman谱研究了Si基AlN薄膜以及Al2O3基AlN薄膜的应变和压电极化性质。由于不同衬底的AlN薄膜的应力不同，通过声子E2(high)的频移可以算出AlN薄膜的应力。其值为13cm-1和3cm-1，分别得到其双轴应力为—4.3GPa和—0.72GPa。AlN/Si样品在向上和垂直于z轴方向上的应变分别为εzz=5.6×10-3和εxx=εyy=—9.2×10-3。进而算得其压电极化电荷高达1.88×10-2c/m2，这相当于在Si表面形成1.18×1013/cm2的电子积累。AlN/Al2O3样品在向上和垂直于z轴方向上的应变分别为εzz=9.4×10-4和εxx=εyy=-1.5×10-3，压电极化电荷达到3.07×10-3c/m2。
4．实验测得Si基和Al2O3基AlN薄膜应力存在较大的差距。再结合PL谱分析得到的AlN缺陷能级，就可以了解到缺陷能级随应力不同的变化情况。最后算得AlN薄膜的压力系数为17meV/GPa。