高Al組分AlGaN-GaN半導體材料的生長方法研究.pdf

1、GaN基LED技術是實現(xiàn)半導體照明的關鍵技術，GaN基深紫外LED不僅具有高的白光轉化效率，而且還在醫(yī)療、凈化等方面有重要的應用。然而制備深紫外LED所需的高Al組分AlGaN材料的生長、摻雜一直是限制器件發(fā)展的關鍵因素。
　　 本文在此背景下展開了對GaN基深紫外LED的研究工作，主要涉及AlN、高Al組分AlGaN材料的生長，AlGaN材料的n型和p型摻雜及UV LED器件研制等多方面，主要研究成果如下：
　　 1、

2、成功得到了氮化物半導體材料生長的最佳緩沖層厚度值，發(fā)現(xiàn)過厚或過薄的低溫AlN緩沖層都不利于氮化物半導體材料的生長。在自主MOCVD系統(tǒng)上，脈沖生長實現(xiàn)了高質(zhì)量的AlN材料，其XRD(002)面的半高寬最小只有43arcsec，(102)面半高寬最小為228arcsec。通過對AlN基板上不同Al組分的AlGaN材料生長，得到不同Al組分AlGaN材料生長時的應力變化關系。發(fā)現(xiàn)當其所受的張應和壓應力處于一種平衡的狀態(tài)時，AlGaN材料有最

3、佳的材料質(zhì)量。
　　 2、通過AlGaN/AlN超晶格結構(SLs)提高了AlGaN材料的生長質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)Al0.45Ga0.55N/AlN SLs的周期厚度對Al0.45Ga0.55N材料質(zhì)量有重要影響，SLs結構不僅可以阻擋位錯在薄膜生長時的延伸，而且可調(diào)控薄膜中的應力；研究得到最優(yōu)的SLs層厚度為7nm，并生長出了高質(zhì)量的 Al0.45Ga0.55N材料，其(002)面XRD搖擺曲線的FWHM 值僅為259arcsec，(1

4、02)面也只有885arcsec ；AFM測得其表面有明顯的原子臺階，粗糙度僅為0.185nm。成功得到AlGaN材料生長時的Al組分與TMA/(TMA+TEG)的關系；發(fā)現(xiàn)AlGaN 材料的表面粗糙度隨Al組分的增加而增大；得到高質(zhì)量的不同Al組分的AlGaN材料，其表面均有明顯原子臺階。
　　 3、實現(xiàn)了AlGaN材料的n型和p型有效摻雜。研究了Al組分對于AlGaN材料n型摻雜的影響，研究了SiH4摻入量與n型載流子濃度的

5、變化關系，得到精確控制AlGaN材料的n型摻雜的工藝條件。通過對生長溫度、Mg源摻入量及退火溫度的優(yōu)化，實現(xiàn)了AlGaN材料的p型高質(zhì)量摻雜，得到p型摻雜的Al組分為0.2的AlGaN材料的電阻率值僅為0.71cm，為此Al組分值AlGaN體材料p型摻雜的最佳值。
　　 采用AlGaN/GaN超晶格結構實現(xiàn)p型的高濃度摻雜，經(jīng)過對超晶格周期厚度的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)10nm的周期為Mg:AlGaN/GaN超晶格結構p型摻雜的最佳厚度值，得

6、到了p型材料電阻率僅為0.034cm，p型載流子濃度高達1.26×10 19 cm-3，這一結果比通常體材料的摻雜水平高近一個數(shù)量級。
　　 4、在藍寶石襯底上成功生長出不同發(fā)光波長的AlXGa1-XN/AlYGa1-YN多量子阱(MQWs)。研究了AlXGa1-XN/AlYGa1-YN量子阱的周期厚度及勢壘Si摻雜對MQWs發(fā)光特性的影響，成功生長出高質(zhì)量的、波長小于300nm的UV LED全結構。采用橫向結構、通過器件工藝的

7、流片，成功獲得UV LED管芯。對器件的測試結果顯示，UV LED的輸出功率達到毫瓦量級。
　　 5、經(jīng)過對生長條件的優(yōu)化，有效地提高了GaN材料的生長質(zhì)量。其(002)面的半高寬由最初的800arcsec減小到378arcsec，(102)的半高寬也有1508arcsec減小到了597arcsec。
　　 采用脈沖法生長的高質(zhì)量AlN為基板得到高質(zhì)量的GaN材料，生長的材料表面原子臺階明顯，XRD測得的(102)面半高

8、寬降至348arcsec，(002)面半高寬更是低至70arcsec，為目前已報道的藍寶石襯底上生長GaN的最小半高寬。
　　 6、在藍寶石襯底成功生長出AlInN/GaN異質(zhì)結材料，采用脈沖法有效提高了AlInN薄膜的生長質(zhì)量，并通過對TMA流量及AlN插入層厚度的優(yōu)化提高了AlInN/GaN異質(zhì)結的電學特性，報道的異質(zhì)結遷移率可達1033 cm2 /vs,2DEG面密度達1.96E+13/cm 2。
　　 7、采用多

9、超晶格結構有效提高了r面藍寶石襯底上的非極性a-GaN材料的生長質(zhì)量。研究表明多超晶格結構可有效提高a-GaN材料的質(zhì)量，消除表面的三角坑缺陷。報道了高質(zhì)量的a-GaN材料，其搖擺曲線FWHM僅為695arcsec。
　　 綜上所述，本文通過對生長深紫外LED所需的各關鍵技術的研究，得到了高質(zhì)量的AlN、AlGaN材料及實現(xiàn)了n型、p型AlGaN材料的有效摻雜，制備出了不同發(fā)光波長的量子阱結構，外延生長了深紫外LED的全結構，得