北大普通物理综合实验课件2 GaN材料退火温度的研究

GaN材料退火温度的研究【文献阅读及相关背景】三代半导体材料：第一代：Ge、Si第二代：GaAs、InP化合物第三代：GaN、SiC、金刚石等GaN是目前全球半导体研究的前沿和热点。GaN的主要用途：制造发光二极管、半导体激光器等发光二极管的主要原理：发光二极管的主要结构是一个PN结，利用外电源向PN结注入电子来发光。常态下电子和空穴不能发生自发复合。但如果给PN结加以足够高的正向电压，电子可与空穴相遇，便产生了发光复合，所发出的光属于自发辐射。GaN的优点：发光性能好，波长短，在蓝紫波段能够提供较高能量的光束。可以进一步得到白光二极管，它的亮度大，发光效率高，是一种理想的照明光源。GaN的制备：GaN的晶体结构有纤锌矿和闪锌矿两类。GaN的单晶极难得到。蓝宝石与氮化镓的晶格并不完全匹配，导致晶体缺陷。P型GaN制备的困难：掺杂材料Mg大量与H形成Mg－H键（Mg－Hcomplex）激活的尝试：Nakamura：N2氛围保护下退火或低能电子束照射Sugiura等：无H生长Miyachi：伴随少数载流子注入的退火激活Prior：高于1000℃快速退火方法的改进：Hull等：Mg掺杂GaN在空气中退火C.F.Lin等：降低快速退火的温度并缩短退火时间数据的取得：霍耳测量。为了避免肖特基势垒，一般蒸镀电极以得到较好的欧姆接触。试验原理1、退火2、霍耳测量退火P型GaN一直是应用的主要障碍之一取得突破的原因之一是用Mg进行P型高浓度掺杂MOCVD生长技术MOCVD是一种依靠气相输运和Ⅴ族烷基与Ⅲ族氢化物反应形成加热区的非平衡生长技术。GaN淀积的基本反应式如下:Ga(CH3)3(v)+NH3(v)→GaN(s)+3CH4(v)为了激发掺杂剂Mg，MOCVD材料的钝化需要进行后生长处理，即是指在样品生长期间引入填隙H2，形成H-Mg受主络合物,使受主得到钝化。在惰性气体气氛中进行高温退火，如：N2，就可将H-Mg键断开，使空穴浓度得到进一步提高.H—Mg—退火—HMg霍耳测量测出样品的电阻率、载流子迁移率、载流子浓度等，通过这些参数反映出退火的效果，最终找到退火的最佳温度。本实验中的霍耳测量应用范德堡法，范德堡法的优点在于可以测量任意形状的薄片的电阻率以及霍耳系数。(1)测量电阻率1243对任意形状、厚度为d、中间无空洞的样品，如作图所示，图中1、2、3、4为四个接触点，要求这四个接触点靠近边缘。则电阻率为：12,3423,41πln22RRdf（2）测量霍耳系数如果接触点在样品四周边界上且接触点足够小，样品的厚度又是均匀的，而且无空洞，在垂直于样品表面加一磁场。电流自1端流向3端，电流线分布会与加磁场时一样，则可求得：4313()HVVdRBi又在P型样品中pn，则其中，为空穴的电导迁移率；为霍耳迁移率，=RHσ，σ是电导率；p为载流子浓度。测定后就可以求得了。1()HHpRpqppqpHHH实验方法与步骤恢复红外退火炉退火并测量升温曲线调整恒温区清洗样品镀电极合金点铟晶体管特性测试仪粗测霍耳测量处理数据得到结果数据及分析快速退火的数据退火温度/℃退火时间/min电极结构合金温度/℃合金时间/minp/1016cm－3μ/cm2v－1s－1ρ/Ωcm40025Ni/Au(Å)200/4005505——————500——————6000.2316.95164.097006.636.71614.038003.8411.7113.89红外退火的数据退火温度/℃)电极结构合金温度/℃合金时间/min.p/1016cm－3μ/cm2v－1s－1ρ/Ωcm500Ni/Au(Å)200/4005505——————600In球20至32510——————600Ni/Au(Å)200/4005505——————700In球20至325100.7200.28112.8112.7767.74173.89700Ni/Au(Å)200/40055050.300.338.297.75249.7244.02700Ni/Au(Å)200/400450150.470.374.555.72289.41292.84700Ni/Au(Å)200/4005005×4.27×4.10×35.61红外退火的数据退火温度/℃电极结构合金温度/℃合金时间/minp/1016cm－3μ/cm2v－1s－1ρ/Ωcm800Ni/Au(Å)200/40055052.712.6111.8811.4619.3820.87800Ni/Au(Å)200/40055053.013.1211.2010.5218.5518.99800Ni/Au(Å)200/40050055.055.186.877.4116.5416.28800In球20至325106.4613.397.22900In球20至32510——————900Ni/Au(Å)200/40055051．708．8241．71900Ni/Au(Å)200/4005505900Ni/Au(Å)200/4005505630.25838.36载流子浓度与退火温度的关系——快速退火，——红外退火电阻率与退火温度的关系——快速退火，——红外退火载流子迁移率与退火温度的关系——快速退火其中某一个点的原始数据样品编号：246p-GaNMg900℃20min厚度：1.0μm磁场强度：0.869T日期：2002/11/7I/μA2.0004.0006.0008.00110.00012.001Vm/mV223.5435.0597.6721.0820.9909.0Vn/mV151.6279.5395.0498.4589.5670.0I/μA2.0014.0016.0008.00010.00112.000VH/mV-61.8-104.2-137.7-167.6-196.2-223.7VH‘/mV-62.5-105.3-139.4-170.0-199.0-226.5R1=94677ΩR2=64765.3Ωf=0.9877ρ=35.6877(Ω.cm)μ=9.2525n=1.89×1016分析与结论对于快速退火，700℃的激活效果最好，600℃就可以激活。对于红外退火，500℃、600℃均无法激活，800℃的激活效果最好。快速退火的激活效果甚至比红外退火还要好，出乎意料。实验的体会实验是很辛苦的每周工作4天连续工作12个小时要经得起挫折工作会遇到很多困难抱怨是没有用的，要去解决实验的体会对理论课的新认识理论有什么用？有没有真正学会？要用理论来指导实验理论不是物理的全部结束语初步认识了现代科研重视想法一份耕耘一份收获感谢元民华老师张国义老师、于彤军老师胡成余学长