2023年纳米AlGaN的发光特性研究.doc

沈阳理工大学学士学位论文 AlGaN是一种重要半导体光电材料，具有最高的直接带隙，高热导率，高熔点，高硬度，低膨胀系数，优良的化学稳定性和无毒性等特点[1]。采用化学气相沉积法，在较低工艺温度下将金属铝粉直接氮化合成纤锌矿结构的AlN纳米线和镓掺杂的AlGaN纳米线。分别用拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM) 和能谱对AlN纳米线的形貌和光学性能进行表征。 比拟、分析光致发光光谱，定性的探讨AlGaN的发光机理是缺陷发光。结果说明：不同温度合成的AlGaN的发光谱的峰位不同，是由氮空位或镓空位造成。温度的升高由镓空位引起的缺陷发光带宽有变窄的趋势，由氮空位的引起的缺陷发光带宽有变宽的趋势。目前以AlGaN组成的发光层可以实现红色、绿色和蓝色显示的开展状态。随着研究的深入AlGaN将会是一种很有开展前途的发光半导体材料。 关键字：氮化镓铝；半导体材料；发光特性 Abstract AlGaN semiconductor crystals with high thermal conductivity, high temperature insulation resistance and dielectric properties of materials under high temperature strength, low coefficient of thermal expansion and the match with the silicon semiconductor materials, non-toxic, etc., with good optical performance. Currently known to AlGaN emitting layer composed of red, green and blue display state of development. With in-depth study AlGaN will be a promising light-emitting semiconductor crystals. The use of high temperature vacuum sintering was prepared AlGaN microcrystalline, and photoluminescence measurements. Compare, analyze and summarize the different crystalline quality of AlGaN spectral peak position and peak width, Qualitative Study on AlGaN light-emitting mechanism. Inspection on AlGaN light-emitting in the English literature, a qualitative understanding of the structure and basic properties of the AlGaN. Inspection of semiconductor materials, light-emitting aspects of the book, understanding between light and matter interactions and the semiconductor material of the light-emitting principle. Key words: AlGaN；Semiconductor materials；Luminescent properties 目录 1 绪论 1 1.1 研究的意义 1 1.2 氮化镓铝的性质及其研究 1 1.3 氮化镓铝的制备 4 1.3.1 直接氮化法 4 1.3.2 Al2O3热复原法 5 1.3.3 化学气相沉积法 7 1.3.4 等离子体气相合成法 7 2 化学气相沉积法 9 2.1 实验设备 9 2.1.1 平行管式炉 9 2.1.2 压片机 11 2.1.3 超声波清洗器 11 2.1.4 电子天平 12 2.2 化学气相沉积法原理 12 3 氮化镓铝的制备 14 3.1 氮化镓铝制备和相关数据 14 3.1.1 实验药品及其他物品 14 3.2 氮化镓铝制备的实验步骤 14 3.2.1 制备金属源 14 3.2.2 平行管式炉的预处理 14 3.2.3 氮化镓铝的制备 15 4 氮化镓铝的表征 16 4.1 拉曼分析 16 4.1.1 拉曼光谱仪 16 4.1.2 Raman分析 16 4.2 氮化镓铝SEM和能谱分析 17 4.2.1 扫描电镜 17 4.2.2 SEM和能谱分析 18 5 氮化铝镓的发光特性 20 5.1 光致发光 20 5.2 氮化镓铝的缺陷发光 20 5.3 PL光谱分析 21 6 总结 24 致谢 25 参考文献 26 附录A 英文原文 28 附录B 中文译文 34 27 1 绪论 1.1 研究的意义 半导体照明〔发光二极管，LED〕是新型高效固体光源，具有节能、环保和寿命长等显著优点。世界照明工业的转型和新兴半导体照明产业的崛起，已成为不争的事实[2]。半导体照明以其技术的先进性和产品应用的广泛性，被公认为是21世纪最具开展前景的高技术领域之一。日本理化学研究所理研知识产权战略中心与松下电工共同开发出具有良好杀菌效果的发光二极管〔LED〕，该LED可发出波长为280nm的深紫外光，输出功率为10．6mW，为世界之最。新产品有望用于医院、家庭的便携式杀菌灯或用作氧化钛等光触媒用深紫外光源。 AlGaN半导体晶体由于具有热导率高、高温绝缘性和介电性能好、高温下材料强度大、热膨胀系数低并且与半导体硅材料相匹配、无毒等优点，具有良好的光学性能。目前以AlGaN组成的发光层可以实现红色、绿色和蓝色显示的开展状态。随着研究的深入AlGaN将会是一种很有开展前途的发光半导体晶体。 1.2 氮化镓铝的性质及其研究 氮化铝〔AlN〕为具有六方晶系纤维锌矿型晶体结构的III-V族半导体共价键化合物，其晶体是以「AlN」四面体为结构单位，具有Warzit结构[3]。 A1N单晶体的密度和导热率的理论值分别为3.26g/cm，和319W/(m·K);实测值分别为3.259/cm，和280W/(m·K)室温，含氧0.03%。纯洁的AlN为无色透明晶体，在常压下分解温度为2480℃。25℃时晶格常数a0=3.1127,c0=4.9816属六方晶系。其晶胞结构如图1.1所示。 图1.1 氮化铝晶胞结构(其中1-Al原子2-N原子a=3.11A，c=4.980A) 从表1.1 可见，在所列举的陶瓷材料中，氮化铝是唯一具有优良综合性能的材料，即具有高的热导率、高的电阻率和相当低的热膨胀系数。从室温到600℃,氮化铝热膨胀系数比商品化的碳化硅还要低。作为基片材料的氮化铝，从室温到200℃的温度范围内均具有优良性能。氮化铝硬度适中，抗弯强度超过氧化铝和氧化硼。由于高的热导率和低的热膨胀系数，其抗热冲击性能也很好，在消除了微孔和第二相的影响下，其弹性模量接近理论值，由此可见氮化铝陶瓷具有优良的机械性能。由表1. 2可知，氮化铝的平均热膨胀系数与硅相近。因此这种新的基片材料在室温范围内非常适用于大型集成电路的封装。 表1.1 氮化铝与其它陶瓷材料的热、电和机械性能比照表 注：室温至600℃ 表1.2 不同温度范围内热膨胀系数平均值/x10-6K-1 氮化铝粉末的外表极为活泼，易与空气中的水蒸气发生水解反响，给它的生产和使用带来影响。近年来，氮化铝粉末外表改性的研究工作十分活泼，人们试图通过外表改性来提高它的抗水化性，其有效途径有： (1)借助疏水性和亲水性有机物等在AIN外表形成涂层包裹; (2)在一定的氧分压气氛中热处理AIN粉末，在其外表形成致密的氧化铝层[4]。 氮化铝在空气中的氧化行为包括: (1)氮化铝被氧化成θ-； (2)进一步发生晶型转变形成α-。经热处理，氮化铝的抗水化性能有一定的提高，将热处理的氮化铝引入刚玉一尖晶石浇注料中，浇注料的抗渣侵蚀性能有所改善。 氮化铝在国际上用于混合集成电路(HIC)、微波集成电路(MIC)、电力电子模块(GTRM、IGBTM)、激光二极管(LD)、刀具材料等领域。尤其是它的热膨胀与半导体硅材料相匹配并且无毒性，是较理想的电子半导体封装所用的支撑散热材料，以取代毒性大的Beo材料[5]。 有关氮化铝的报道最早出现于1862年。当时，氮化铝曾作为一种固氮剂用于化肥中。上世纪50年代，又作为耐火材料用于铝及铝合金等的冶炼。近二三十年来，随着微电子技术的飞速开展，尤其是混合集成电路(HIC)和多芯片〔MCM)对封装技术提出了越来越高的要求，作为电路元件及互连线承载体的AlN基片也获得了相应的进步。 氮化铝陶瓷因具有高热导率(理论热导率为319W/(m·K)、低介电常数(约为8.8)、与硅相匹配的热膨胀系数(293-773K，)、绝缘体(电阻率>)、无毒等特点，成为一种理想的电子封装材料，应用前景十分广阔。上世纪90年代初，全世界AIN仅用于电子产品就有5.5亿美元的市场，其中半导体的封装占72%。 氮化铝已成为新材料领域的一大热点，在粉体合成、成形技术、烧结工艺、显微结构等方面的研究都取得了长足的进展。氮化铝陶瓷的制备工艺和性能均受到粉体特性的直接影响，要获得高性能的氮化铝陶瓷，必须有纯度高、烧结活性好的粉体作原料。氮化铝粉体中的氧杂质会严重降低热导率，而粉体粒度、颗粒形态那么对成形和烧结有重要的影响。因此，粉体合成是AIN陶瓷生产的一个重要环节。 1.3 氮化镓铝的制备 氮化镓铝的制备主要是有关GaN的制备，其制备方法与AlN的制备相一致。目前，AlN的制备已经形成较完善的多种方法，下面讨论当前运用较广泛的几种制备方法，以供参考[6]。 1.3.1 直接氮化法 直接氮化法就是将Al粉末与氮气直接化合，以碱金属氟化物为触媒，此法需要在1050℃以上长期暴露在氮气中才能得到符合化学式的成分[7]。反响式为: (1.1) 为防止初始反响温度超过Al的熔点(这是因为铝的熔点为660℃，而镓的熔点接近室温，相对较低得多)，必须控制反响的升温速度。反响在580-600℃开始，但铝和氮气的合成反响要在1000℃，并让铝与氮气长时间的反响才能完成[8]。在650℃和1000℃两个阶段，要长期保温，产品氮化铝的纯度可达99.9%。氮化铝合成的加热速度列于表1.3。 表1.3 ()合成AlN的加热速度 反响(1.1)可以进行得很快，在1823K下只需2秒就能完成，但实际生产中往往在较低的温度(<1500k)和易于控制的条件下进行反响，这主要是为了提高转化率和防止粉末团聚。尽管如此，铝粉直接氮化法一般难以得到颗粒微细、粒度均匀的AIN粉，通常需要后处理。Al粉颗粒外表氮化后形成的AIN层会阻碍N2向颗粒中心的扩散，因而转化率也是合成过程中的一个重要问题。 直接氮化法工艺简单，适合于工业上的大批量生产要求，现已用于大规模的生产。但是，该方法也存在着缺点，正如上面提到的，铝粉转化率低，易产生团聚，产品质量差，反响过程难以控制。同时，生成的氮化铝粉末容易自烧结，形成团聚。为了弥补上述的缺乏，目前已有学者做了新的研究。如日本的Komeya在直接氮化法中将Y、Ca、Li参加到铝粉中，结果发现可以提高氮化的反响速度，其中Li的作用最为明显。针对直接氮化法产物易结块，反响不完全的缺点，日本的Kimnra等人开发了一种悬浮氮化技术，铝粉被氮气流朝上夹带通过高温反响区