高質(zhì)量GaN基材料外延生長(zhǎng)工藝及其光電特性研究.pdf

1、本論文主要從兩大部分進(jìn)行了論述。
　　第一部分：是以藍(lán)寶石(Al2O3)為襯底通過(guò)小面控制側(cè)向外延生長(zhǎng)技術(shù)(FC-ELOG)形成半極性(11-22)氮化鎵(GaN)小面,隨之外延生長(zhǎng)半極性氮化鎵銦(InGaN)多量子阱(MQWs)結(jié)構(gòu)。利用金屬有機(jī)物氣相沉積(MOCVD),在不同條件下生長(zhǎng)了半極性小面GaN和InGaN多量子阱樣品,通過(guò)對(duì)樣品的表面形貌和光學(xué)特性的分析,研究了GaN和InGaN量子阱的顯微結(jié)構(gòu)、發(fā)光性質(zhì)及壓應(yīng)力分布

2、等。獲得了創(chuàng)造性的成果:
　　(1)研究了襯底圖形對(duì)GaN基發(fā)光二極管(LED)器件的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,襯底圖形形狀為“半球”結(jié)構(gòu)的時(shí)候,能更有效的降低材料位錯(cuò)密度,管芯尺寸1×1cm2的LED輸出功率能達(dá)到358mW。
　　(2)研究了不同的生長(zhǎng)溫度對(duì)半極性(11-22)GaN表面形貌的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,低溫生長(zhǎng)不僅可以消除二氧化硅(SiO2)的表面遷移運(yùn)動(dòng),并且減小了過(guò)度生長(zhǎng)發(fā)生的機(jī)率,獲得了表面光滑、形貌較好的半極

3、性GaN外延。
　　(3)研究了不同生長(zhǎng)溫度下,半極性面InGaN量子阱的發(fā)光特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可以通過(guò)改變InGaN量子阱層的生長(zhǎng)溫度來(lái)調(diào)節(jié)In組分的含量,從而得到不同的發(fā)光波長(zhǎng)。
　　(4)研究了相鄰小面完全聚合和不完全聚合的半極性(11-22)面GaN對(duì)InGaN多量子阱發(fā)光特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,完全聚結(jié)小面生長(zhǎng)的InGaN量子阱發(fā)光峰的跨度更寬,能從紫外光延伸到可見光的藍(lán)綠黃光區(qū)。并實(shí)現(xiàn)了InGaN多量阱的波長(zhǎng)

4、剪裁和多色光合成。
　　第二部分：以硅(Si)作為襯底,同樣采用MOCVD生長(zhǎng)方式制備GaN外延。以Si襯底上生長(zhǎng)GaN的難點(diǎn)為基礎(chǔ),圍繞Si襯底上高質(zhì)量GaN外延的生長(zhǎng)展開的研究工作。通過(guò)對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)和光電特性的分析,取得了創(chuàng)新的成果:
　　(1)研究了預(yù)沉積Al時(shí)間對(duì)GaN外延的影響。分別在高溫AlN(HT-AlN)和低溫AlN(LT-AlN)作為緩沖層時(shí),對(duì)預(yù)沉積時(shí)間做了優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在HT-AlN作為緩沖層時(shí),真

5、正能起到阻止氮化硅(SiNx)作用的是HT-AlN緩沖層。
　　(2)研究了AlN緩沖層厚度對(duì)GaN外延的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩種緩沖層有一個(gè)合適的厚度范圍,AlN緩沖層太薄不阻止Si的擴(kuò)散和Ga滴的回熔,太厚則失去了緩沖層的意義而變成了外延層,并發(fā)現(xiàn)HT-AlN比LT-AlN做緩沖層對(duì)GaN外延的生長(zhǎng)更有益。
　　(3)研究了插入層的結(jié)構(gòu)對(duì)GaN外延的影響。選取了均勻漸變和5個(gè)階梯漸變的AlxGa1-xN(x=0.9-0.

6、1)插入層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,均勻漸變的AlxGa1-xN插入層能更好的將位錯(cuò)終止在異質(zhì)界面上,減少表面裂紋提高外延質(zhì)量。
　　(4)研究了均勻漸變AlxGa1-xN插入層的生長(zhǎng)速率對(duì)GaN外延的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,插入層生長(zhǎng)速度越慢越利于GaN“偽二維”的生長(zhǎng);并能有效降低外延生長(zhǎng)的應(yīng)變,從而大大提高了GaN質(zhì)量。
　　(5)研究了HT-AlN/AlxGa1-xN復(fù)合插入層對(duì)GaN外延薄膜的影響。通過(guò)對(duì)AlN插