III族氮化物半導(dǎo)體外延層薄膜的生長(zhǎng)與表征研究.pdf

1、 以Ⅲ族氮化物為研究對(duì)象的固體發(fā)光技術(shù)，帶動(dòng)了與之密切相關(guān)的藍(lán)光、綠光和發(fā)光二極管（Light-emitting Diode，LED）照明與紫外探測(cè)器的應(yīng)用。在這個(gè)方興未艾的領(lǐng)域里，雖然很多技術(shù)瓶頸已經(jīng)取得了突破，但是仍然有不少問題尚未解決，例如，雖然紫外半導(dǎo)體激光器和紫外 LED、綠光 LED 技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但它們的內(nèi)量子效率仍然不高；即使是藍(lán)光 LED 內(nèi)量子效率已經(jīng)很高了，但是隨著工作電流的增加，其輸出效率會(huì)急速降低

2、（Efficiency-Droop Effect）。我們知道，位錯(cuò)的量級(jí)在固體發(fā)光特性中扮演著非常重要的角色，是引起發(fā)光效率降低的主要因素。因此，在Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體器件大規(guī)模商業(yè)化的同時(shí)，對(duì)Ⅲ族氮化物外延層薄膜結(jié)晶質(zhì)量做更進(jìn)一步的提高依然十分重要；對(duì)Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體外延層薄膜生長(zhǎng)和表征的深入研究依然是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文從Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)和表征出發(fā)，重點(diǎn)研究了 AlGaN、InGaN 的生長(zhǎng)和表征技術(shù)、GaN 非諧效應(yīng)的變溫

3、Raman 散射以及 LED 發(fā)光轉(zhuǎn)變機(jī)制的低頻噪聲表征等問題。主要的成果如下：
1. 提高 AlGaN 外延層結(jié)晶質(zhì)量的低溫加高溫 AlN 成核層技術(shù)的生長(zhǎng)與表征
采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition， MOCVD）法，通過在高溫 AlN 成核層與襯底之間插入一薄層低溫 AlN 成核層結(jié)構(gòu)，有利于提高 AlGaN 外延層的結(jié)晶質(zhì)量。通過高分

4、辨 XRD 結(jié)果表明，AlGaN外延層薄膜的線位錯(cuò)密度明顯降低；原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope， AFM）結(jié)果表明，AlGaN 外延層的表面相貌得到改善，表面粗糙度降低。
2. AlGaN 外延層結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)一步提高的自支撐 GaN 襯底與低溫加高溫 AlN成核層技術(shù)的生長(zhǎng)與表征
采用低溫加高溫 AlN 成核層的 MOCVD 法生長(zhǎng) AlGaN 外延層，通過與藍(lán)寶石襯底進(jìn)行對(duì)比，研

5、究了 AlGaN 外延層的相關(guān)缺陷行為和發(fā)光特性。發(fā)現(xiàn)以自支撐GaN 襯底生長(zhǎng)的 AlGaN 外延層，雖然表面形貌的起伏較大，但結(jié)晶質(zhì)量和發(fā)光性質(zhì)均得到了明顯地提高，刃位錯(cuò)密度和總位錯(cuò)密度得到了較大幅度的降低。
3. 溫度對(duì) InGaN 外延層薄膜結(jié)晶質(zhì)量的影響
在不同溫度下，對(duì) InGaN 外延層薄膜的發(fā)光特性與結(jié)晶質(zhì)量和 In 組分之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。提出在較低溫度（650℃）時(shí)生長(zhǎng)的 InGaN 外延

6、層薄膜，在 In組分（15.36%）較高時(shí) InGaN 外延層的結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌與發(fā)光特性均得到了明顯地提高，線位錯(cuò)密度明顯降低。
4. 插入 AlN 成核層結(jié)構(gòu)的 InGaN/GaN MQW LED 光電轉(zhuǎn)換效率的模擬研究采用 STR 公司的 SimuLED5.2 軟件，對(duì)插入 AlN 成核層結(jié)構(gòu)的多量子阱 LED的能帶結(jié)構(gòu)、發(fā)射光譜、Auger 電流密度、非輻射復(fù)合電流等方面進(jìn)行模擬研究。結(jié)論表明，插入 AlN 成核

7、層結(jié)構(gòu)的多量子阱具有較高的內(nèi)量子效率；隨著偏置電壓的逐漸增大，IQE 下降幅度較小。
5. GaN 外延層的非諧效應(yīng)進(jìn)行變溫 Raman 表征
通過對(duì)不同溫度段（整個(gè)測(cè)試溫度段，高溫段和臨界溫度）Raman 頻移與溫度的分析，提出了采用一階指數(shù)衰減數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)樣品的非諧效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。在忽略高能聲子衰變的情況下，進(jìn)一步采用該模型還可以計(jì)算出熱膨脹系數(shù)或者Grüneisen 參數(shù)。
6. InG

8、aN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管發(fā)光機(jī)制轉(zhuǎn)變的低頻電流噪聲表征
以低頻 1/f 噪聲理論為依據(jù)，研究了 InGaN/GaN 多量子阱（Multiple Quantum Well，MQW）發(fā)光二極管（Light-emitting Diode，LED）發(fā)光機(jī)制轉(zhuǎn)變的低頻噪聲表征方法。在電流從 0.1mA 到 10mA 之間變化時(shí)，對(duì) InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)LED 的電流 1/f 噪聲進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)論表明：（1）隨著電