低溫AIN層的MOCVD生長工藝及應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，AlGaN/GaN量子阱受到越來越多的關(guān)注并廣泛應(yīng)用于諸如紫外發(fā)光二極管和高電子遷移率晶體管等各類光電器件和電子器件中。然而，由于AlGaN/GaN量子阱與GaN模板間存在極大的晶格失配和熱膨脹失配使量子阱區(qū)外延層中很容易產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)缺陷、裂紋和明顯的應(yīng)力弛豫現(xiàn)象，因此如何生長高質(zhì)量的AlGaN/GaN量子阱成為了一個(gè)亟待解決的難題。在眾多解決辦法中，低溫AlN插入層作為應(yīng)變工程技術(shù)被視為一種有效且便捷的手段用來調(diào)控AlGaN

2、/GaN量子阱外延層中的晶體質(zhì)量以及相應(yīng)的應(yīng)力弛豫問題。本文以在AlGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)下方插入低溫AlN插入層為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)研究低溫AlN插入層生長溫度對(duì)低溫AlN層晶體質(zhì)量影響，以及對(duì)AlGaN/GaN量子阱層外延晶體質(zhì)量和光學(xué)電學(xué)性質(zhì)的影響。從實(shí)驗(yàn)以及理論上分析生長溫度在低溫AlN插入層以及量子阱層生長過程中影響機(jī)制。主要研究成果如下:
　　利用MOCVD方法，通過改變低溫AlN層外延過程中生長溫度，在GaN基底上制得A

3、lN外延薄膜。利用高分辨X射線衍射儀(HRXRD)及原子力顯微鏡(AFM)等方法測(cè)試了薄膜的晶體結(jié)構(gòu)及表面粗糙度，重點(diǎn)研究了低溫AlN層的生長溫度對(duì)AlN層外延質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同的生長溫度直接會(huì)導(dǎo)致低溫AlN層具有不同的表面形貌、表面粗糙度及位錯(cuò)密度，且隨生長溫度的升高，刃型與螺型位錯(cuò)密度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，并在640℃達(dá)到最低;表面粗糙度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，也在640℃達(dá)到最高。通過理論計(jì)算AlN層中的應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn)

4、，隨溫度升高AlN層外延層中應(yīng)變先升高后降低,也在640℃達(dá)到最大。低溫AlN插入層的生長溫度直接影響Al原子在界面處的遷移率及復(fù)合速率，這將導(dǎo)致不同的低溫AlN層的晶粒生長合并模式進(jìn)而直接影響外延層中的刃型與螺型穿透位錯(cuò)密度以及外延層中的應(yīng)力方向及應(yīng)變大小以及其表面形貌。
　　利用高分辨X射線衍射儀(HRXRD)及原子力顯微鏡(AFM)等測(cè)試手段研究了低溫AlN插入層的生長溫度對(duì)AlGaN/GaN量子阱應(yīng)力弛豫作用的影響。通過實(shí)

5、驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低溫AlN插入層不同的生長溫度會(huì)導(dǎo)致AlGaN/GaN量子阱不同的表面粗糙度及位錯(cuò)密度，并且當(dāng)生長溫度達(dá)到640℃時(shí)樣品中表面粗糙度及位錯(cuò)密度達(dá)到最低，同時(shí)具有最高的載流子遷移率及帶邊發(fā)光峰強(qiáng)度。利用原子力顯微鏡直接觀察插入層的表面結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，在不同的生長溫度得到的低溫AlN表面具有不同的表面形貌從而直接影響界面處位錯(cuò)主滑移系的開動(dòng)及位錯(cuò)阻擋機(jī)制。而低溫AlN不同的表面形貌是由于Al原子在不同溫度下的不同的遷移機(jī)制造成。