InN基窄带隙半导体材料的加压MOVPE生长与物性研究

在InN的禁带宽度从普遍接受的1.9eV进一步被认定为更窄的带隙值0.64eV之后，近年来InN基材料已逐渐成为III族氮化物半导体材料中的研究热点。但由于InN低的分解温度和高的氮平衡蒸气压，制备高质量InN很困难，特别是通过传统的低压或常压金属有机化合物气相外延（MOVPE）很难达到预定目标。本项目以为可用于光通信系统的InN基红外激光器提供高质量的InN基材料作为目标，提出采用加压MOVPE生长和独特的薄气流层横型炉设计的新方案，通过加大反应室氮分压抑制InN分解，实现InN高温生长和薄膜质量的提高，解决InN与InGaN之间生长温度差异问题，同时开展InN基材料的加压生长机理和材料物性的研究。本项目研究将为制备高质量的InN薄膜和InN/InGaN量子阱结构材料开辟一条新途径，提供InN相关的基本物理参数，有效促进InN基材料在光电器件中的应用和发展。

近年来InN基材料已逐渐成为III族氮化物半导体的研究热点。但由于InN低的分解温度和高的氮平衡蒸气压，制备高质量InN很困难，特别是通过传统的低压或常压MOVPE很难达到预定目标。本项目提出采用加压MOVPE生长的新方案，通过加大反应室氮分压抑制InN分解，实现了InN高温生长和薄膜质量的提高，同时开展了材料物性的研究。.在本项目执行期间，我们做了以下五个方面的研究工作：.第一，加压MOVPE法制备InN薄膜及其特性研究。我们采用不锈钢材质的水平式MOVPE反应室在2个大气压下生长InN薄膜，研究了生长温度对InN薄膜特性的影响。研究结果显示，在675°C左右很小的生长温度区间内生长的InN薄膜样品表现出最好的光学和电学性质。.第二，高质量N极性GaN模板的生长研究。我们采用MOVPE法在（0001）面蓝宝石衬底上外延生长了原子级表面光滑的N极性GaN薄膜。通过优化生长参数，已经获得了高质量N极性GaN薄膜，薄膜（0002）面半高全宽仅为50arcsec。高质量N极性GaN可以作为InN基材料的生长模版。.第三，N极性GaN模版上InN基材料生长研究。我们用MOVPE方法制备了N极性InxGa1-xN(0≤x≤1)薄膜，并研究了生长参数对InGaN薄膜的晶体质量以及光学特性的影响。在优化的InN和InGaN生长参数基础上制备了InN/InGaN量子阱，测试并分析了量子阱的光学特性。.第四，InN基异质结的电致发光特性及能带排列研究。制备了n-InN/p-GaN的异质结发光二极管，在正向偏压下，获得了来自InN侧的近红外1.5µm电致发光。并详细研究了n-InN纳米点/p-Si异质结器件及其在室温下的电学特性。另外，利用X射线光电子能谱直接对InN/6H-SiC异质结的价带补偿进行了测量。测得异质结价带补偿量为-0.10+/-0.23 eV，导带补偿量为-2.47+/-0.23 eV，说明该异质结为II型能带排列结构。.第五，其它GaN基相关异质结构器件研究。为在后续研究中设计新颖的器件结构需要，我们探索性制备了三种基于GaN的异质结发光器件。一种是n-ZnO纳米墙网络/p-GaN异质结发光器件，另一种是n-ZnO纳米线阵列/ZnO单晶薄膜/p-GaN异质结发光器件，还有一种是p-ZnO:As/n-GaN/n-SiC(6H)异质结发光器件。