InN材料制备及其光电器件研究

作     者：彭文博 

作者单位：河南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王辉

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：磁控溅射 InN 异质结器件 载流子传输特性 

摘      要：在Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物中,氮化铟(InN)是一种直接窄带隙半导体材料,其有效电子质量最小、载流子迁移率较高,还具有较高的电子漂移速率以及最高的峰值速率。由于这些特性的存在使得InN材料在近红外发光二极管、高效太阳能电池和高功率太赫兹器件等应用领域中具有巨大的潜力。随着现代科学技术的蓬勃发展,单晶InN薄膜材料才得以被制备出来,并且其禁带宽度的值才得以被准确测定为～0.75 e V,在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中属于较小值,这就更加引起了科研工作者的注意。本文旨在通过磁控溅射法制备InN薄膜,重点围绕高质量InN薄膜的制备及基于InN材料的光电器件研究方面,研究内容如下:在使用磁控溅射法溅射生长InN薄膜方面,针对不同系列,对不同溅射条件下制备的InN薄膜的结晶质量、表面形貌、光学和电学特性进行了测试与分析,最终确定了InN薄膜的最优制备条件,如下所示:(1)首先研究了氮氩比以及不同衬底对InN薄膜物理特性的影响,确定了InN薄膜制备的最佳条件:衬底为AlO衬底,氮氩比为30/0 sccm。(2)接下来研究了衬底温度对InN薄膜物理特性的影响,通过分析可得,当衬底温度为150℃时制备的InN薄膜物理特性最好。(3)之后又研究了溅射压强对InN薄膜物理特性的影响,确定了其最优溅射压强为1.0 Pa。(4)最后,将AlN薄膜用作缓冲层诱导InN薄膜的生长,并通过数据分析与计算明确了缓冲层对InN薄膜物理特性的优化机理。在InN薄膜材料的异质结器件制备方面,基于已经取得的高质量InN材料的制备条件,研究如下:(1)首先通过将n-InN材料与p-NiO材料在AlO衬底上相结合,制备了p-NiO/n-InN/AlO异质结器件,并且通过Keithley-2400源表测试发现该异质结器件在室温条件下具有较好的整流特性。之后还研究了工作温度对器件载流子传输特性的影响。(2)将AlN薄膜用作InN薄膜材料的缓冲层,制备出相关的异质结器件,并研究其对器件载流子传输特性的影响。发现在器件中插入AlN缓冲层可以使异质结器件的开启电压、漏电流、串联电阻及活化能等明显降低,提升了器件的电学特性。并且还研究了未封装器件在正常室温条件下储存40天前后器件电学特性的变化。(3)由于磁控溅射法制备InN薄膜存在一定的局限性,我们将n-InN与n-Ga N结合,并将i-NiO作为电子阻挡层改善器件的结构制备出了n-InN/i-NiO/n-Ga N/AlO同型异质结器件,在正常环境中实现了该器件的电注入式发光,但其发光强度较弱,针对该器件在电致发光方面较弱的发光体现,还需后续大量工作进行优化探索。本文基于磁控溅射法制备InN薄膜,在多方面探索了高质量InN薄膜的制备条件,之后制备了多种基于InN材料的异质结器件,寻找磁控溅射法制备的InN薄膜在发光异质结器件存在的可能性。最后通过InN与Ga N材料相结合成功实现了室温下的电注入式发光,扩宽了磁控溅射法制备InN薄膜的可用性。