AlGaN基紫外LED關(guān)鍵制備技術(shù)的研究.pdf

1、AlxGa1-xN是直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫，抗輻射，波長(zhǎng)在200～365nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，在空氣凈化、殺菌與消毒、半導(dǎo)體固態(tài)照明等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。AlGaN薄膜晶體質(zhì)量對(duì)器件光電性能有很大影響，尤其制備紫外LED所需的高Al組份AlGaN材料的生長(zhǎng)、量子阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、極化效應(yīng)的影響等一直是制約紫外LED發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，對(duì)AlGaN薄膜生長(zhǎng)和表征的深入研究顯得尤為重要。本論文采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉

2、積(MOCVD)的方法制備了高質(zhì)量的不同Al組分的AlGaN薄膜，并且系統(tǒng)地研究了AlGaN材料的物性，進(jìn)而生長(zhǎng)和表征了更具實(shí)用價(jià)值的AlInGaN四元材料的物性，同時(shí)從理論上研究了AlInGaN四元材料對(duì)于提高LED光電性能的影響。通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化，制備了高質(zhì)量的AlGaN/GaN多量子阱，為制備AlGaN基紫外LED打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外，對(duì)基于非極性與半極性藍(lán)寶石襯底上的GaN與AlGaN外延生長(zhǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究。采用高分

3、辨X射線衍射(HR-XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光致發(fā)光譜(PL)、X射線光電子能譜(XPS)、同步輻射X射線光譜等手段，對(duì)外延材料的晶體質(zhì)量、晶格畸變、表面形貌、表面化學(xué)態(tài)和光學(xué)特性進(jìn)行了表征分析。本論文的研究?jī)?nèi)容與取得的成果如下:
　　1.采用優(yōu)化的MOCVD脈沖生長(zhǎng)工藝，首先在藍(lán)寶石襯底上高溫生長(zhǎng)了AlN緩沖層，進(jìn)而得到了高質(zhì)量的AlxGa1-xN外延薄膜，其中Al組分為0～87％。并且系統(tǒng)地研究了高溫AlN緩沖層對(duì)

4、減少裂紋密度，提高晶體質(zhì)量的作用。測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)高溫AlN緩沖層的厚度為200 nm時(shí)，可以極大地改善AlGaN外延層的晶體質(zhì)量。研究還發(fā)現(xiàn):隨著AlxGa1-xN薄膜中Al組分的增加，晶格發(fā)生了收縮，即晶格常數(shù)c、a以及c/a的比值均有所減小;與之相反的是內(nèi)參數(shù)u的數(shù)值反而隨著Al組分的增加而增大，這種變化趨勢(shì)可以解釋為由于Al的并入增加，Al-N鍵的離子化效應(yīng)增強(qiáng)所導(dǎo)致的。
　　2.采用Raman光譜研究了AlGaN薄膜中應(yīng)力

5、的變化行為。研究結(jié)果表明:AlxGa1-xN薄膜的A1(LO)模式的聲子頻移隨Al組分的變化較為明顯，并且是單模行為;而A1(LO)模式的聲子頻移峰的展寬推測(cè)主要源于AlxGa1-xN薄膜材料中的長(zhǎng)程有序。通過(guò)系統(tǒng)地研究AlxGa1-xN薄膜的光致發(fā)光行為，對(duì)由缺陷態(tài)發(fā)光引起的黃帶機(jī)制做了深入的探討。Al0.26Ga0.74N薄膜樣品的低溫光致發(fā)光譜測(cè)試結(jié)果表明:隨著溫度的降低，由自由載流子復(fù)合引起的317 nm的帶邊發(fā)射峰有“藍(lán)移”的

6、趨勢(shì)，并且溫度越低，發(fā)光強(qiáng)度越高，峰值的半高寬也明顯減小。
　　3.采用同步輻射技術(shù)研究了AlGaN材料的電子結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析Ga的K邊延長(zhǎng)的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜(EXAFS)探究了不同殼層原子鍵長(zhǎng)與Al組分的依賴關(guān)系。研究結(jié)果表明:位于第一殼層的Ga-N鍵長(zhǎng)與Al組分的變化無(wú)關(guān)，其值只與離Ga原子最近的N原子相關(guān);然而第二殼層的Ga-Ga鍵長(zhǎng)與Al組分的關(guān)系較大。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ga-Ga鍵長(zhǎng)要大于Ga-Al鍵長(zhǎng)，并且隨著AlxGa

7、1-xN薄膜樣品中Al組分的增加，Ga-Ga鍵長(zhǎng)有減小的趨勢(shì)，分析這可能與Al原子的原子半徑較小有關(guān)。本論文還進(jìn)一步地研究了AlxGa1-xN薄膜的表面化學(xué)態(tài)。通過(guò)測(cè)量Ga3d、Al2p、N1s的XPS能譜，以及對(duì)XPS能譜進(jìn)行擬合，分析研究了AlxGa1-xN薄膜表面的氧化行為。結(jié)果顯示:AlxGa1-N薄膜樣品表面同時(shí)存在著氮化物與氧化物，并且隨著Al組分的增加，Al的氧化要強(qiáng)于Ga的氧化。研究還發(fā)現(xiàn)，Ga的俄歇躍遷與O-Ga鍵或者

8、Ga的其他化合物相關(guān)。
　　4.探究了AlInGaN四元材料的生長(zhǎng)工藝，系統(tǒng)地研究了生長(zhǎng)溫度對(duì)相分離現(xiàn)象的影響和富In區(qū)域形成的物理機(jī)制，優(yōu)化得到較為理想的生長(zhǎng)溫度為890℃。光致發(fā)光譜測(cè)試結(jié)果表明隨著生長(zhǎng)壓力的減小，缺陷雜質(zhì)發(fā)光得到抑制，說(shuō)明較低的生長(zhǎng)壓力會(huì)改善AlInGaN薄膜的晶體質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)其中的“V”型缺陷的密度和尺寸都隨著壓力的降低而減小;高Al/In摩爾比會(huì)抑制AlInGaN薄膜中的相分離，可能是因?yàn)楦籌n團(tuán)簇的減少導(dǎo)

9、致了這一結(jié)果。通過(guò)Raman光譜測(cè)量驗(yàn)證了AlInGaN四元薄膜中確實(shí)存在In的團(tuán)簇，同時(shí)該結(jié)論也說(shuō)明了“V”型缺陷的來(lái)源與In的并入有很大關(guān)系。AlInGaN四元薄膜的變溫光致發(fā)光譜揭示了AlInGaN發(fā)光峰峰值能量隨溫度的變化呈“S”形變化的關(guān)系，并對(duì)這一現(xiàn)象作了合理的解釋。
　　5.深入研究了AlGaN/GaN多量子阱的生長(zhǎng)工藝條件，特別是異質(zhì)結(jié)界面的H2吹掃時(shí)間對(duì)量子阱界面質(zhì)量與光學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生長(zhǎng)AlGaN勢(shì)

10、壘層后的H2吹掃時(shí)間為4分鐘，生長(zhǎng)GaN阱層后H2的吹掃時(shí)間為2分鐘時(shí)，可以獲得界面平滑、組分變化陡峻的量子阱界面。通過(guò)對(duì)量子阱界面質(zhì)量的分析，進(jìn)一步探討了量子阱中的缺陷形成機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，并通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)工藝條件，最終制備得到了高質(zhì)量、界面清晰的AlGaN/GaN多量子阱樣品。光致發(fā)光譜測(cè)試結(jié)果表明，由于存在內(nèi)建電場(chǎng)，因量子限制斯塔克效應(yīng)引起的能帶彎曲，導(dǎo)致了AlGaN/GaN多量子阱發(fā)光峰的“紅移”;而當(dāng)量子阱寬降低時(shí)，量子限制效應(yīng)

11、占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致發(fā)光峰波長(zhǎng)的“藍(lán)移”。
　　6.對(duì)半極性R面與非極性A面、M面藍(lán)寶石襯底上GaN與AlGaN的外延生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)成核層時(shí)采用高的Ⅴ/Ⅲ比有利于改善GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量，但所獲得的晶體為沿著c[0001]方向生長(zhǎng)的極性材料。本研究也在非極性M面藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行了GaN材料的生長(zhǎng)，獲得了晶體質(zhì)量較好的具有[11(2)2]晶向的半極性樣品。本研究還在A面和M面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了AlGaN材料，并且進(jìn)行了

12、Si摻雜。發(fā)現(xiàn)在A面襯底上生長(zhǎng)的AlGaN經(jīng)過(guò)Si摻雜后表面形貌和晶體質(zhì)量都得到了改善，C的并入量有所減少，藍(lán)帶發(fā)光強(qiáng)度減弱。而在M面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的AlGaN經(jīng)過(guò)Si摻雜以后，表面形貌和晶體質(zhì)量卻有所下降，C的并入量增加，藍(lán)帶發(fā)光強(qiáng)度減弱。本研究所開(kāi)展的半極性、非極性GaN和AlGaN材料的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，為制備高亮度非極性AlGaN基紫外LED打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　7.采用APSYS光學(xué)器件模擬軟件分析計(jì)算了p-AlInGaN四

13、元材料以及p-AlInGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)作為GaN基LED電子阻擋層對(duì)LED芯片光電性能的影響。通過(guò)對(duì)量子阱中的極化電場(chǎng)以及極化場(chǎng)下能帶結(jié)構(gòu)、載流子濃度分布、自發(fā)輻射復(fù)合速率的研究，發(fā)現(xiàn)采用與GaN晶格匹配的p-In0.18Al0.089Ga0.893N/GaN超晶格作為電子阻擋層，不僅可以減小由于極化電場(chǎng)引起的能帶彎曲效應(yīng)，而且通過(guò)p-GaN層注入到有源區(qū)的空穴注入效率得到了很大的提高，同時(shí)漏電流也獲得明顯減小。并且在大電流注入