《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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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
2
2.1.4 GaN的极性
3
GaN中的极性、半极性及非极性面
4
GaN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
22
Quantum confined stark effect (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
仅有自发极化情形
顶层膜张应力
顶层膜压应力
17
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
GaN/InGaN/GaN异质结中的极化电场强度
19
InGaN量子阱中的压电极化强度
暴露出新的N面
•N面上的N原子仅有一个悬挂键，不能有效阻止腐蚀液和Ga 原子反应
•Ga面在Ga原子腐蚀后，N终止面上存在3个悬挂键，阻止OH和Ga的进一步wk.baidu.com应，因此Ga面对酸碱很稳定，不易反应。
Ga面腐蚀
N面腐蚀
29
GaN etching in acid
10min
• H3PO4/90oC
• H3PO4/120oC
5min
20min 5min
30
Photo-Electro-Chemical(PEC) etching
• KOH/RT/Hg lamp
31
Photo-Electro-Chemical(PEC) etching
• KOH/RT/Hg lamp
32
PEC etching: porous GaN
GaN/AlN/sapphire
N-polar On
sapphire
• As-grown
25
极性与腐蚀
Ga-polar On
GaN/AlN/saph
N-polar On
sapphire
• 2M KOH/45min/90oC
26
N极性GaN的腐蚀反应机理
N面
N面 形成Ga2O3, 溶于碱溶液
N面 Ga+OH-
7
非极性/半极性GaN生长技术
8
GaN grown in non-polar direction
• Advantages ----no polarization fields along the growth direction ----no quantum confinement stark effect ----Potential for high internal quantum efficiency
N极性和Ga极性GaN的区别
表面形貌 主要缺陷
Ga极性 光亮
位错和纳米管
表面电荷 化学稳定性
表面重构 在1000摄氏度的热
分解
负 抗腐蚀 1X， 2X N2环境没有改变 H2环境没有改变
N极性 粗糙 小的反筹 位错和纳米管 正 易腐蚀 3X N2环境没有改变 H2环境 Ga点
N极性GaN的用途
•H与N-polar GaN的亲和力更强 •用N-GaN制备的H探测器响应度更高
0.042，bAlGaN=0.019，bInGaN=0.038，bAlInN=0.071。因为xy(1-x-y)的
值很小，在计算中最后一项通常忽略不计
21
压电极化场
• 异质外延引起的应变：ε=（asubs-aL）/aL ，asubs为衬底晶格常数，aL为外 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：
N-polar On
sapphire
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 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 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
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（AxB1-xN）：
• 四元化合物：
式中b为修正因子。Psp(AlN)=-0.09，Psp(GaN)=-0.034，Psp(InN)=-
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面在形貌上比较平整 ，光亮；N面则粗糙。N 面更容易被酸碱所腐蚀
Ga-polar On
GaN/AlN/sapphire
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、Ga等金属插入层 使用GaN缓冲层
HVPE GaCl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
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，部分削弱了
量子阱内的极化场强度，致
使发光波长蓝移
23
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
24
2.1.5 化学性质
Ga-polar On
10
c面，极性 a面，非极性
半极性
11
1011（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）
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
2
2.1.4 GaN的极性
3
GaN中的极性、半极性及非极性面
4
GaN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
22
Quantum confined stark effect (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
仅有自发极化情形
顶层膜张应力
顶层膜压应力
17
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
GaN/InGaN/GaN异质结中的极化电场强度
19
InGaN量子阱中的压电极化强度
暴露出新的N面
•N面上的N原子仅有一个悬挂键，不能有效阻止腐蚀液和Ga 原子反应
•Ga面在Ga原子腐蚀后，N终止面上存在3个悬挂键，阻止OH和Ga的进一步wk.baidu.com应，因此Ga面对酸碱很稳定，不易反应。
Ga面腐蚀
N面腐蚀
29
GaN etching in acid
10min
• H3PO4/90oC
• H3PO4/120oC
5min
20min 5min
30
Photo-Electro-Chemical(PEC) etching
• KOH/RT/Hg lamp
31
Photo-Electro-Chemical(PEC) etching
• KOH/RT/Hg lamp
32
PEC etching: porous GaN
GaN/AlN/sapphire
N-polar On
sapphire
• As-grown
25
极性与腐蚀
Ga-polar On
GaN/AlN/saph
N-polar On
sapphire
• 2M KOH/45min/90oC
26
N极性GaN的腐蚀反应机理
N面
N面 形成Ga2O3, 溶于碱溶液
N面 Ga+OH-
7
非极性/半极性GaN生长技术
8
GaN grown in non-polar direction
• Advantages ----no polarization fields along the growth direction ----no quantum confinement stark effect ----Potential for high internal quantum efficiency
N极性和Ga极性GaN的区别
表面形貌 主要缺陷
Ga极性 光亮
位错和纳米管
表面电荷 化学稳定性
表面重构 在1000摄氏度的热
分解
负 抗腐蚀 1X， 2X N2环境没有改变 H2环境没有改变
N极性 粗糙 小的反筹 位错和纳米管 正 易腐蚀 3X N2环境没有改变 H2环境 Ga点
N极性GaN的用途
•H与N-polar GaN的亲和力更强 •用N-GaN制备的H探测器响应度更高
0.042，bAlGaN=0.019，bInGaN=0.038，bAlInN=0.071。因为xy(1-x-y)的
值很小，在计算中最后一项通常忽略不计
21
压电极化场
• 异质外延引起的应变：ε=（asubs-aL）/aL ，asubs为衬底晶格常数，aL为外 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：
N-polar On
sapphire
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 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 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
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（AxB1-xN）：
• 四元化合物：
式中b为修正因子。Psp(AlN)=-0.09，Psp(GaN)=-0.034，Psp(InN)=-
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面在形貌上比较平整 ，光亮；N面则粗糙。N 面更容易被酸碱所腐蚀
Ga-polar On
GaN/AlN/sapphire
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、Ga等金属插入层 使用GaN缓冲层
HVPE GaCl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
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，部分削弱了
量子阱内的极化场强度，致
使发光波长蓝移
23
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
24
2.1.5 化学性质
Ga-polar On
10
c面，极性 a面，非极性
半极性
11
1011（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）