n-GaN(0001)表面缺陷的光电性质研究
1.引言
随着信息技术的飞速发展,以光电子和微电子为基础的通信和网络技术成为高新技术的先导。短波光学器件和高能高频电子设备的需要日益增长,宽带隙半导体材料在近几年一直是研究热点。III-V族氮化物长期以来一直被认为是在蓝光和紫外波长半导体器件应用方面最有希望的材料系[1]。目前人们已经把目光关注在第三代半导体GaN材料上,GaN以其特有的物理、化学性质,如宽带隙、高击穿电压(4MV/cm)和高电子饱和速率(3x107cm/s)使得它在制备高频、高温、高压器件方面成了很有前景的材料。GaN也是良好的光电子材料(室温下禁带宽度为3.39eV),在蓝光发光二极管(LED)、蓝光激光器(LD)和紫外探测器等光电子器件领域备受科学界的关注[2,3]。GaN也可主要用于制备高速微波器件、电荷耦合器件(CCD)、动态存储器(DRAM)等[4,5]。另外它在通信、航空、航天、石油开采及国防等方面也有着广泛的应用前景。
由于衬底和GaN外延层之间存在较大的晶格失配和热失配,以及材料的生长方式,导致GaN外延层中存在很多的缺陷,这些缺陷主要包括高密度的位错和各种点缺陷,极大地影响了GaN材料的电学特性和光学特性。因此探究不同种类的缺陷对材料和器件产生的不同影响,以及如何获得低缺陷密度的GaN材料是近年来的研究重点。一般本征生长的GaN都是n型的,而其中缺陷的形成能是和载流子浓度紧密相关的,某些特定的载流子浓度可以形成特定的缺陷。在GaN材料中,位错密度很高,而且对材料性能影响很大。而GaN材料的点缺陷,总的来讲可以分为本征缺陷和掺入杂质带来的缺陷,各种点缺陷常可形成更复杂的缺陷,空位或间隙原子常可聚集成团,这些团又可崩塌成位错环等[6]。利用第一性原理对n-GaN(0001)表面缺陷进行建模,为降低n型GaN薄膜的掺杂过程难度提供依据,从而提高光电器件的光电性能。
2.GaN材料的特性
GaN材料是继Ge、Si第一代半导体材料和GaAs、InP第二代半导体之后,与SiC、金刚石等半导体材料一起被称为第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、高的击穿电压、良好的化学稳定性、高的热导率和强的抗辐照能力等特点,在光电子器件领域有着广阔的应用前景[7]。
2.1.GaN材料的结构
GaN是一种极性晶体,一般情况下,GaN晶体以纤锌矿结构和闪锌矿结构存在,在极高压情况下会出现熔盐矿结构。在自然界中大多存在着热力学最稳定的六方晶系纤锌矿结构以及能量更高的亚稳态相,即闪锌矿结构[8,9]。GaN化学键主要是共价键,但也有相当大的离子键存在于化合物键中,这是由构成共价键的电负性差异极大的两种组分导致的。这种差异也是GaN具有许多独特物理化学性质的根源。
在c轴(0001)方向上的两个六方密堆积结构平移5c/8后套构成纤锌矿结构GaN,如图1 (a)所示。在对角线方向上的两个面心立方结构平移1/4对角线长度后套构成闪锌矿结构,如图1(b)所示。熔盐矿结构GaN如图1(c)所示。
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