硅襯底GaN材料生長(zhǎng)及其LED老化性能研究.pdf

1、GaN為寬禁帶半導(dǎo)體材料，在信息顯示和固態(tài)照明等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因而倍受關(guān)注、發(fā)展十分迅速。目前，藍(lán)寶石襯底是GaN異質(zhì)外延最常用的襯底材料，但藍(lán)寶石襯底本身不導(dǎo)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(lán)寶石襯底相比，硅襯底具有低成本、大面積、高質(zhì)量、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。使用Si片作為GaN外延薄膜的襯底有可能實(shí)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(zhǎng)設(shè)置了重重障礙，生長(zhǎng)出的Si襯底GaN材料易產(chǎn)生大量的位錯(cuò)及裂紋。近幾年來，Si襯底GaN材料的生長(zhǎng)取得了很大的進(jìn)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(duì)硅襯底GaN藍(lán)光LED外延膜性能的影響；對(duì)硅襯底GaN基LED器件的老化壽命特性進(jìn)行了相應(yīng)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(zhǎng)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(duì)δ摻雜Si處理樣品及未處理樣品的相關(guān)性能進(jìn)行的比較，分析了δ摻雜Si處理對(duì)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(huì)相對(duì)變好。 2、用XRD方法通過不同晶面的ω掃描測(cè)試及Lattice-rotation模型的擬合計(jì)算得出GaN/Si樣品的螺位錯(cuò)密度和刃位錯(cuò)密度，通過XRD的位錯(cuò)及應(yīng)力的分析發(fā)現(xiàn)δ摻雜Si處理后生長(zhǎng)的GaN樣品中螺位錯(cuò)密度有所增大，刃位錯(cuò)密度

4、會(huì)減少，總的位錯(cuò)密度仍有所減少；樣品的非均勻應(yīng)變較大。相應(yīng)樣品LED的電致發(fā)光光譜、I-V特性曲線的測(cè)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(shí)驗(yàn)法對(duì)硅基GaN藍(lán)光LED進(jìn)行了老化壽命實(shí)驗(yàn)。利用公式擬合出硅基GaN藍(lán)光LED的壽命長(zhǎng)達(dá)4.6萬小時(shí)。部分GaN/Si藍(lán)光LED的主波長(zhǎng)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(cè)主波長(zhǎng)紅移的原因可能為：通大電流時(shí)，芯片溫度

5、升高，使GaN/Si藍(lán)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(kuò)散到發(fā)光層，從而導(dǎo)致禁帶寬度變小，波長(zhǎng)紅移。 4、硅基GaN綠光LED在480小時(shí)老化后部分LED芯片的工作電壓略有變大、發(fā)光的主波長(zhǎng)有不同程度的藍(lán)移。主波長(zhǎng)藍(lán)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(dǎo)致量子阱所受的壓應(yīng)力變小，而這兩種結(jié)果都會(huì)導(dǎo)致LED的主波長(zhǎng)藍(lán)移。 5、本文發(fā)現(xiàn)GaN/Si

6、綠光LED光衰小于GaN/Si藍(lán)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(lán)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(yīng)的藍(lán)光LED管的環(huán)氧樹脂降解老化相對(duì)于綠光LED管的要強(qiáng)，從而導(dǎo)致綠光LED管光輸出功率衰減情況好于藍(lán)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(duì)應(yīng)關(guān)系。本文認(rèn)為，要對(duì)造成器件漏電的原因進(jìn)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(jī)理上是很不相同的。壽命老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)室研制的硅襯底GaN基LED已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平，以其目前的壽命水平來看具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 7、采用常壓MOCVD方法在Cu/Si(111)基板上生長(zhǎng)ZnO薄膜，初步研究了ZnO低溫緩沖層的生長(zhǎng)溫度(300℃～600℃)對(duì)薄膜性能的影響。利用干涉顯微鏡和原子力顯微鏡對(duì)ZnO/Cu/Si(111)樣品進(jìn)行了表面形貌分析，借助于高分辨X射線衍射

8、儀對(duì)ZnO/Cu/Si(111)樣品的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能進(jìn)行了分析，通過光致發(fā)光譜對(duì)其發(fā)光性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)緩沖層溫度控制在400℃附近時(shí)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(jí)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(jìn)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(jìn)行ZnO薄膜的生長(zhǎng)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。 本