三維生長工藝對GaN外延層質(zhì)量和阱厚對InGaN-GaN多量子阱光學(xué)性能的影響.pdf

1、GaN基材料因其具有禁帶寬度大、化學(xué)和熱穩(wěn)定性好、電子飽和漂移速度大和擊穿電場強(qiáng)度大等特點(diǎn)廣泛運(yùn)用于功率器件、LD器件和LED器件。然而，GaN基材料的外延生長工藝和器件結(jié)構(gòu)依然需要進(jìn)一步優(yōu)化。本文利用金屬有機(jī)氣相沉積（MOCVD）方法，在藍(lán)寶石（Al2O3）襯底上生長了GaN基材料，研究了三維生長工藝對GaN外延層晶體質(zhì)量和性能的影響，并對其生長機(jī)理進(jìn)行了探討；同時(shí)，理論模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究了阱厚對InGaN/GaN多量子阱光學(xué)性能的

2、影響及相關(guān)物理機(jī)制，具體的研究結(jié)果如下所述。
　　利用MOCVD方法，分別通過改變生長過程中三維生長階段的生長溫度（1060℃-1080℃）和V/III比（1335-763），在藍(lán)寶石襯底上生長了不同的GaN外延層。利用高分辨X射線衍射儀（HRXRD）、原子力顯微鏡（AFM）、光致發(fā)光光譜儀（PL）、霍爾測試儀（HALL)和拉曼光譜儀（Raman）分別對樣品的位錯(cuò)密度、表面形貌、發(fā)光性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)和殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析。當(dāng)三維生長溫

3、度分別為1060℃、1070℃和1080℃時(shí)，外延層刃位錯(cuò)密度分別為5.09×108/cm3、3.58×108/cm3和5.56×108/cm3，呈現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，而螺位錯(cuò)密度變化不顯著，分別為1.06×108/cm3、0.98×108/cm3和1.01×108/cm3，同時(shí)外延層殘余應(yīng)力分別為0.86 GPa、0.81 GPa和0.65 GPa，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當(dāng)三維生長V/III比從1335逐漸減小到763時(shí)，外延層刃位錯(cuò)

4、密度由5.93×108/cm3減小至3.32×108/cm3，而螺位錯(cuò)密度變化不顯著；同時(shí)外延層發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，載流子濃度從8.31×1017/cm3減小至5.60×1016/cm3，而載流子遷移率從212 cm2/vs增加至267 cm2/vs。變溫和變V/III比樣品位錯(cuò)密度和性能的變化是由于三維生長溫度和V/III比不同時(shí)，三維生長階段島狀結(jié)構(gòu)的長大和合并速率發(fā)生改變而導(dǎo)致的。在研究范圍內(nèi)經(jīng)過優(yōu)化后的三維生長溫度和V/III比分

5、別為1070℃和763。
　　利用SiLENSe模擬軟件對不同阱寬（1.5 nm、2.0 nm、2.5 nm、3.2 nm、4.0 nm和5.0 nm）InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了PL模擬。在相同激發(fā)功率密度下，隨著多量子阱阱厚從1.5 nm逐漸增加至5.0 nm，阱層量子限制斯塔克效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致峰值波長發(fā)生紅移。同一多量子阱結(jié)構(gòu)，隨著激發(fā)功率密度從1.4 W/cm2增加至100 W/cm2，光生載流子產(chǎn)生的與極化電場相反

6、的屏蔽電場強(qiáng)度增加，阱層量子斯塔克效應(yīng)減弱，導(dǎo)致峰值波長發(fā)生藍(lán)移。此外，利用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長了具有不同阱厚的（2.5 nm和3.2 nm)InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，并利用PL系統(tǒng)研究了阱厚對InGaN/GaN多量子阱光學(xué)性能的影響規(guī)律。在相同激發(fā)功率密度下，當(dāng)阱厚從2.5 nm增加到3.2 nm時(shí)，InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)峰值波長發(fā)生紅移；同一樣品隨著激發(fā)功率密度從1.4 W/cm2增加至47.0 W/cm2