硅襯底GaN材料生長及其LED老化性能研究.pdf

1、GaN為寬禁帶半導體材料，在信息顯示和固態(tài)照明等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，因而倍受關(guān)注、發(fā)展十分迅速。目前，藍寶石襯底是GaN異質(zhì)外延最常用的襯底材料，但藍寶石襯底本身不導電并且解理困難。相比而言，硅襯底則是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ囊r底材料。與藍寶石襯底相比，硅襯底具有低成本、大面積、高質(zhì)量、導電導熱性能好等優(yōu)點。使用Si片作為GaN外延薄膜的襯底有可能實現(xiàn)光電子和微電子的集成，因此Si基GaN的研究受到了廣泛的關(guān)注。然而Si襯底與GaN外延層

2、之間巨大的晶格失配和熱失配為Si襯底GaN材料的生長設(shè)置了重重障礙，生長出的Si襯底GaN材料易產(chǎn)生大量的位錯及裂紋。近幾年來，Si襯底GaN材料的生長取得了很大的進展，Si襯底GaN基LED的發(fā)展也非常迅速。本論文主要研究了δ摻雜對硅襯底GaN藍光LED外延膜性能的影響；對硅襯底GaN基LED器件的老化壽命特性進行了相應的研究；并初步研究了常壓MOCVD法在Cu/Si(111)基板上ZnO薄膜的生長及其性能；得到了如下一些有意義和部分

3、有創(chuàng)新性的研究結(jié)果： 1、通過對δ摻雜Si處理樣品及未處理樣品的相關(guān)性能進行的比較，分析了δ摻雜Si處理對GaN外延膜結(jié)晶性能的影響。研究表明δ摻雜Si處理后GaN外延膜的相關(guān)性能會相對變好。 2、用XRD方法通過不同晶面的ω掃描測試及Lattice-rotation模型的擬合計算得出GaN/Si樣品的螺位錯密度和刃位錯密度，通過XRD的位錯及應力的分析發(fā)現(xiàn)δ摻雜Si處理后生長的GaN樣品中螺位錯密度有所增大，刃位錯密度

4、會減少，總的位錯密度仍有所減少；樣品的非均勻應變較大。相應樣品LED的電致發(fā)光光譜、I-V特性曲線的測試表明δ摻雜Si處理后的GaN/SiLED的光電性能、I-V性能變好。 3、通過電流加速壽命實驗法對硅基GaN藍光LED進行了老化壽命實驗。利用公式擬合出硅基GaN藍光LED的壽命長達4.6萬小時。部分GaN/Si藍光LED的主波長在老化后有不同程度的紅移，壽命越短紅移量越大。我們推測主波長紅移的原因可能為：通大電流時，芯片溫度

5、升高，使GaN/Si藍光LED器件結(jié)構(gòu)中n型施主雜質(zhì)Si和p型受主雜質(zhì)Mg擴散到發(fā)光層，從而導致禁帶寬度變小，波長紅移。 4、硅基GaN綠光LED在480小時老化后部分LED芯片的工作電壓略有變大、發(fā)光的主波長有不同程度的藍移。主波長藍移的原因本文歸結(jié)為：發(fā)光層量子阱中In的相分凝。In相分凝的結(jié)果一方面使禁帶寬度變大，另一方面導致量子阱所受的壓應力變小，而這兩種結(jié)果都會導致LED的主波長藍移。 5、本文發(fā)現(xiàn)GaN/Si

6、綠光LED光衰小于GaN/Si藍光LED。我們主要將其解釋為：LED密封材料環(huán)氧基樹脂的降解老化程度不同引起的。由于藍光管發(fā)出的光的光子能量比綠光管發(fā)出的光的光子能量大，這樣相應的藍光LED管的環(huán)氧樹脂降解老化相對于綠光LED管的要強，從而導致綠光LED管光輸出功率衰減情況好于藍光管。 6、通過研究，本文未見器件漏電與GaN/SiLED的壽命有一一對應關(guān)系。本文認為，要對造成器件漏電的原因進行分類。由外延材料中缺陷引起的漏電與由

7、芯片制造工藝過程中引起的漏電，在LED老化機理上是很不相同的。壽命老化實驗結(jié)果表明本實驗室研制的硅襯底GaN基LED已經(jīng)達到實用化水平，以其目前的壽命水平來看具有很強的市場競爭力。 7、采用常壓MOCVD方法在Cu/Si(111)基板上生長ZnO薄膜，初步研究了ZnO低溫緩沖層的生長溫度(300℃～600℃)對薄膜性能的影響。利用干涉顯微鏡和原子力顯微鏡對ZnO/Cu/Si(111)樣品進行了表面形貌分析，借助于高分辨X射線衍射

8、儀對ZnO/Cu/Si(111)樣品的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能進行了分析，通過光致發(fā)光譜對其發(fā)光性能進行了研究。實驗結(jié)果表明：當緩沖層溫度控制在400℃附近時外延膜C軸取向較為明顯、晶粒大小較均勻、結(jié)構(gòu)也更為致密，與缺陷有關(guān)的深能級峰很弱。 本論文的研究結(jié)果為改善硅襯底GaN外延膜的質(zhì)量及進一步提高硅襯底GaNLED的性能提供了一些參考，為MOCVD方法在Cu/Si(111)模板上進行ZnO薄膜的生長研究奠定了一定的基礎(chǔ)。 本