高質(zhì)量GaN基材料外延生長工藝及其光電特性研究.pdf

1、本論文主要從兩大部分進行了論述。
　　第一部分：是以藍寶石(Al2O3)為襯底通過小面控制側(cè)向外延生長技術(shù)(FC-ELOG)形成半極性(11-22)氮化鎵(GaN)小面,隨之外延生長半極性氮化鎵銦(InGaN)多量子阱(MQWs)結(jié)構(gòu)。利用金屬有機物氣相沉積(MOCVD),在不同條件下生長了半極性小面GaN和InGaN多量子阱樣品,通過對樣品的表面形貌和光學(xué)特性的分析,研究了GaN和InGaN量子阱的顯微結(jié)構(gòu)、發(fā)光性質(zhì)及壓應(yīng)力分布

2、等。獲得了創(chuàng)造性的成果:
　　(1)研究了襯底圖形對GaN基發(fā)光二極管(LED)器件的影響。實驗結(jié)果表明,襯底圖形形狀為“半球”結(jié)構(gòu)的時候,能更有效的降低材料位錯密度,管芯尺寸1×1cm2的LED輸出功率能達到358mW。
　　(2)研究了不同的生長溫度對半極性(11-22)GaN表面形貌的影響。實驗結(jié)果表明,低溫生長不僅可以消除二氧化硅(SiO2)的表面遷移運動,并且減小了過度生長發(fā)生的機率,獲得了表面光滑、形貌較好的半極

3、性GaN外延。
　　(3)研究了不同生長溫度下,半極性面InGaN量子阱的發(fā)光特性。實驗結(jié)果表明,可以通過改變InGaN量子阱層的生長溫度來調(diào)節(jié)In組分的含量,從而得到不同的發(fā)光波長。
　　(4)研究了相鄰小面完全聚合和不完全聚合的半極性(11-22)面GaN對InGaN多量子阱發(fā)光特性的影響。實驗結(jié)果表明,完全聚結(jié)小面生長的InGaN量子阱發(fā)光峰的跨度更寬,能從紫外光延伸到可見光的藍綠黃光區(qū)。并實現(xiàn)了InGaN多量阱的波長

4、剪裁和多色光合成。
　　第二部分：以硅(Si)作為襯底,同樣采用MOCVD生長方式制備GaN外延。以Si襯底上生長GaN的難點為基礎(chǔ),圍繞Si襯底上高質(zhì)量GaN外延的生長展開的研究工作。通過對其顯微結(jié)構(gòu)和光電特性的分析,取得了創(chuàng)新的成果:
　　(1)研究了預(yù)沉積Al時間對GaN外延的影響。分別在高溫AlN(HT-AlN)和低溫AlN(LT-AlN)作為緩沖層時,對預(yù)沉積時間做了優(yōu)化,實驗結(jié)果表明在HT-AlN作為緩沖層時,真

5、正能起到阻止氮化硅(SiNx)作用的是HT-AlN緩沖層。
　　(2)研究了AlN緩沖層厚度對GaN外延的影響。實驗結(jié)果表明,兩種緩沖層有一個合適的厚度范圍,AlN緩沖層太薄不阻止Si的擴散和Ga滴的回熔,太厚則失去了緩沖層的意義而變成了外延層,并發(fā)現(xiàn)HT-AlN比LT-AlN做緩沖層對GaN外延的生長更有益。
　　(3)研究了插入層的結(jié)構(gòu)對GaN外延的影響。選取了均勻漸變和5個階梯漸變的AlxGa1-xN(x=0.9-0.

6、1)插入層結(jié)構(gòu)進行研究對比,實驗結(jié)果表明,均勻漸變的AlxGa1-xN插入層能更好的將位錯終止在異質(zhì)界面上,減少表面裂紋提高外延質(zhì)量。
　　(4)研究了均勻漸變AlxGa1-xN插入層的生長速率對GaN外延的影響。實驗結(jié)果表明,插入層生長速度越慢越利于GaN“偽二維”的生長;并能有效降低外延生長的應(yīng)變,從而大大提高了GaN質(zhì)量。
　　(5)研究了HT-AlN/AlxGa1-xN復(fù)合插入層對GaN外延薄膜的影響。通過對AlN插