AlGaN/AlN超晶格结构X射线衍射的拟合计算

 2022-01-17 11:01

论文总字数:17511字

目 录

摘要

Abstract

第一章 绪论 5

1.1 引言 5

1.2 III族氮化物的研究现状 5

1.3 超晶格与X射线衍射(XRD) 6

1.3.1 超晶格 6

1.3.2 X射线衍射(XRD 7

1.3.3 用XRD测量超晶格结构 8

1.4 X’Pert Epitaxy and Smoothfit 软件介绍(XRD模拟软件) 9

第二章 AlGaN和AlN薄膜 10

2.1 AlGaN 10

2.1.1 AlGaN性质 10

2.1.2 AlGaN的制备方法 10

2.2 AlN薄膜 10

2.2.1 AlN薄膜的性质 10

2.2.2 AlN薄膜的制备 11

第三章 AlGaN/AlN超晶格结构的X射线衍射的拟合 12

3.1 本次论文的主要研究内容 12

3.2 X射线衍射图 13

3.2.1 通过X射线衍射图计算周期厚度 13

3.2.2 通过X射线衍射图计算晶格常数 14

3.3 运用X射线衍射理论对N/AlN样品进行拟合计算,比较组分及其厚度 15

第四章 结构参数对XRD模拟曲线的影响 17

4.1层厚度对XRD模拟曲线的影响 17

4.2 组分对XRD模拟曲线的影响 19

第四章 总结及展望 23

参考文献: 24

致谢 26

AlGaN/AlN超晶格结构X射线衍射的拟合计算

庞绍超

,China

Abstract:Since the concept of superlattice has been put forward, the research of superlattice technology has made rapid progress, and it has great potential in the development of microwave devices. The development of superlattice materials also depends on accurate physical and chemical testing ability. X ray diffraction method is one of the important tools to study superlattice structure. Because of its excellent properties, AlGaN based semiconductor materials have broad application prospects in the field of microelectronics and optoelectronics.In this paper, we first look at the properties and preparation methods of AlGaN III nitride semiconductor materials and AlN thin film, and then use the X ray diffraction structure research on the kinematics of AlGaN/AlN superlattice, through the use of X'Pert Epitaxy software, AlGaN based superlattice structure, calculate the actual curve parameters by simulation to determine the Al; the Ga composition and the ratio of structural parameters.

Key words:Superlattice, Xrd, Simulation and fitting, Group III nitride, AlGaN/AlN

第一章 绪论

1.1 引言

在近半个世纪以来,材料物理学科经过长期的发展成为了一门日益成熟的学科,也形成了独特的领域而又与其它学科联系紧密。材料在现代科学的快速发展中具有很重要的作用,半导体材料更是在其中扮演着极其重要的地位。硅、锗等第一代半导体和以硫化锌、砷化镓等为核心代表的第二代半导体都属于窄禁带半导体,相对于前两代半导体的材料,而第三代III族氮化物材料的发现和应用则改变了这些,它拥有宽的带隙宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率和较好的辐射能力等特性,非常适合制作耐高温、高频率、抗辐射、功率较大的器件。近年来,世界各国的科学家对III族氮化物材料的研究有了很大的突破,III族氮元素化合物半导体材料将会在生活和商业上越来越广泛的使用。是以,III族氮化物半导体材料在半导体材料的应用中是扮演很重要的角色,关于它的探索,还有很长的路要走。

1.2 III族氮化物的研究现状

1862年,科学家Bfiegleb和Geuther第一次用熔融态Al与氮气反应,成功的合成AlN化合物,但是由于技术还很薄弱,还不能合成高纯度的AlN单晶,所以并没有产生很大的影响力。F.Fichter等人在1907年第一次人工合成了AlN,,从此开启了研究者对以AlN为代表的III族氮化物的研究。后来 ,Johonson等人利用人工技术合成了GaN薄膜,但是此后几十年里,在晶体获得方面的技术并没有明显的发展。直到二十世纪六十年代末,Maruska和Tietjen等人地发现氢化物气相外延(HVPE)可以制作这种超晶格薄膜,他们用这种方法成功地在蓝宝石衬底上生长出了单晶GaN外延膜,不过这些薄膜的质量还是不够好。

此后,一直到80年代中期,分子束外延(MBE)的出现和金属有机物化学气相外延(MOCVD)技术的快速发展,终于在III族氮化物材料的研究和制备上迎来了一道曙光。Yoshida等人在1983年采用分子束外延技术生长出GaN薄膜在AlN缓冲层上,技术上有了很大的改善。1986年,日本的科学家利用金属有机物化学气相外延技术在AlN缓冲层上生长出了高质量的GaN薄膜。20世纪九十年代初,研究者对氮化物的研究兴趣开始关注于它的最高效的性能,长寿命蓝色发光二极管和蓝色激光器。1992年,日亚公司的Nakamura利用缓冲层技术解决了P型化问题,使国际上对氮化物半导体材料的研究重新活跃起来,氮化物的商业应用也得以蓬勃发展。九十年代,III族氮元素化合物的研究有了更大的进步和更多新的研究方向,相继出现了氮化物的光导型紫外光电探测器和肖特基探测器、GaN基场效应晶体管、高亮度蓝光发光二极管以及GaN基蓝光激光器。

21世纪,III族氮化物材料的研究在材料质量、器件性能、和应用方面都有了各自的推进,并且有了更广阔的研究方向,II族氮化物的制备技术也成了大家研究的热门课题。发现氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)的禁带宽度分别为3.4ev、6.2ev、0.7ev,而且这三者能够合金化,制造成多元类型的半导体材料。另外AlGaN这种超晶格材料随着Al组分的提高性能也有了提高和改变,光电子器件的工作波长也正在向深紫外方向进展。

III族氮化物晶体结构,一般情况下有三种,分别是稳定的六方晶体结构,其次是亚稳定的立方晶体结构和NaCl结构,它们的结构图,依次如图1-1所示

图1-1 III族氮化物晶体结构图

1.3 超晶格与X射线衍射(XRD)

1.3.1 超晶格

1968年江崎和朱兆祥在美国IBM实验室第一次提出超晶格的设想,可以用两种晶格匹配度高的不同材料相互交替地生长出周期性的超晶格结构,两年后,他们的这个设想终于实现了,超晶格概念就形成了。这次超晶格概念的提出,在材料研究的历史上具有重大意义,从此人们不仅可以利用已有的半导体材料,还可以自己利用技术制造新型的超晶格材料来使用。

超晶格结构的周期层厚度比电子的平均自由程小,根据超晶格材料的不同类型,超晶格结构可以分为两个大的类别:在超晶格结构中,如果它的重复单元是由不同材料的薄膜堆积而成的叫做组分超晶格,如GaN/AlN超晶格;在同一种半导体中,可以多次改变掺杂类型,通过这种方法做成的新型半导体结构的材料叫做掺杂型超晶格,如由p型和n型的GaN交替生成超晶格。其中,掺杂型超晶格相对于组分超晶格具有很多优点,只要控制好掺杂类型,任何的半导体材料都能做成超晶格,而且它的层结构完整性要好很多,一般情况下,掺杂量少,可能发生的晶格畸变也会相对较小,不会像组分超晶格那样。最重要的是,掺杂型超晶格可以选择不同的各分层厚度和掺杂浓度来调制超晶格的有效能量隙值。

从量子阱的角度来说,超晶格可以说是耦合的多量子阱,量子阱是由不同的两种半导体材料,通过相间排列形成的,它可能是拥有量子限制效应的电子,也可能是有空穴的势阱。一个半导体量子阱结构的特点是三要素:阱组成(通常按术语定义的ln或Al的摩尔分数x),井厚()和封盖层厚度()。然而,从单量子阱衍射图只有由两个因素决定,总厚度( )和平均成分(x/{ }))的封盖层。由于X射线从量子阱的顶部和底部和反射样品表面干涉可以在低角X射线反射率扫描中观察到单量子阱结构。这些振荡通过减去菲涅耳散射(背景强度)可以更容易地观察到,也可以近似通过多项式表达式。这些的间距(周期)干涉条纹随着覆盖层厚度降低而增加。振荡振幅随的增大而增大和由于单量子阱层和底层的增长而出现成分组成的差异。总厚度和平均成分组成影响主单量子阱峰的位置变化。主量子阱峰位置也将转移到层峰之下,由于SQW强度叠加在相邻峰的尾部。因此,为了提取可靠的信息,分散的剖面必须模拟和比较实验数据。

多量子阱是用两种不同材料交替生长形成的多层结构中形成的许多分离的量子阱。多量子阱多用于III族氮化物发光二极管和激光结构。大多数情况下讨论InGaN/GaN多量子阱,是用在绿色、蓝色和具有高内部量子效率的近紫外发光二极管商业制造中。然而,InGaN/AlGaN结构(AlGaN阻挡层可以提供更好的载流子限制),与AlGaN/GaN和AlInGaN基结构也被用于受欢迎的紫外线发射器制造中。

超晶格的散射(包括MQWs)可以跟光栅的散射类比理解,与厚度条纹的数目多少和重叠有关。超晶格层可以是几十纳米厚;AlGaN/GaN超晶格中使用的场效应晶体管和AlGaN/GaN AlInN/GaN超晶格用于分布式布拉格反射器(DBR)。DBRS包括交替层相似不同光学折射率的晶格参数,层厚度为反映一个所选择的波长的光。多个层来提高反射率,经常高产菌株。

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