GaN基LED不同功能層的MOCVD生長及其性能研究.pdf

1、LED作為第三代光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、穩(wěn)定性高、體積小等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源和固態(tài)照明等領(lǐng)域。自中村修二成功制備了寬禁帶GaN基半導(dǎo)體材料之后，具有商業(yè)應(yīng)用價值的藍光LED獲得實現(xiàn)，LED在光效提升和成本降低方面取得了飛速的發(fā)展。但LED仍有一些問題需要進一步解決和完善，例如，外延生長參數(shù)對GaN晶體質(zhì)量的影響機制還不明確；高空穴濃度低電阻率p型GaN的制備困難；InGaN與GaN的物理化學(xué)性能差異使

2、得高質(zhì)量量子阱生長困難等。本論文從以上提出的問題出發(fā)，對GaN基LED外延結(jié)構(gòu)各功能層進行生長，探究了工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同功能層結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及光電性能的影響，并對其影響機制做了深入的分析。具體內(nèi)容如下：
　　1、研究了形核層厚度(分別為15、25和45 nm)對平面藍寶石襯底上生長的GaN薄膜晶體質(zhì)量的影響。高分辨X射線衍射(HRXRD)結(jié)果表明：當形核層厚度為25 nm時，GaN外延薄膜的(002)和(102)面的HRXRD譜

3、的半高寬(FWHM)最小，分別為267和284 arcsec。原子力顯微鏡(AFM)結(jié)果表明：形核層退火后，樣品表面呈島狀結(jié)構(gòu)。形核層厚度的增加有利于獲得大尺寸的島，但是島的均勻性較差。尺寸大、均勻性好、密度低的形核島對GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量是最有利的，這可采用位錯的產(chǎn)生和演變機制來解釋影響機理。調(diào)控形核層厚度是控制島的尺寸和密度的有效手段之一，因此，形核層厚度能夠顯著影響GaN薄膜的晶體質(zhì)量。
　　2、研究了形核層厚度對圖形藍

4、寶石襯底上生長的GaN薄膜晶體質(zhì)量的影響。掃描電子顯微鏡(SEM)和HRXRD結(jié)果表明：三維生長過程中形核點的位置對GaN薄膜的晶體質(zhì)量有明顯的影響，當三維生長形核點的位置處于圖形的側(cè)壁時不利于GaN薄膜晶體質(zhì)量的提高，這是由于側(cè)壁上長大的形核島晶體取向存在差異；三維生長形核點的位置處于圖形的間隙時有利于獲得高質(zhì)量的GaN晶體，這時形核島的晶體取向一致，生長的GaN表面較平整，晶體質(zhì)量較高。形核層的厚度能夠顯著影響形核點的位置，因此其對

5、GaN的晶體質(zhì)量有重要的影響。
　　3、解釋了輕Si摻雜GaN中較高的載流子遷移率以及較強的黃帶發(fā)光峰強度的物理機制。結(jié)果表明：載流子遷移率隨著載流子濃度的升高呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，這種變化源自于電離雜質(zhì)對位錯散射的屏蔽和電離雜質(zhì)散射的增強。在低摻雜濃度下(載流子濃度為2.37×1017 cm-3)，電離雜質(zhì)對位錯散射的屏蔽作用處于主導(dǎo)地位，從而導(dǎo)致遷移率的驟升。在高的摻雜濃度下(載流子濃度為9.73×1018 cm-3)

6、，電離雜質(zhì)散射的增強導(dǎo)致載流子遷移率的降低。高的遷移率導(dǎo)致光生非平衡載流子的擴散長度增加，從而引起更多的缺陷參與到復(fù)合中去，導(dǎo)致輕Si摻雜GaN的黃帶發(fā)光峰強度增強。
　　4、研究了Mg/Ga比對p型GaN光電性能的影響。結(jié)果表明：當Mg/Ga比為2％時，p型GaN可以獲得最高的空穴濃度4.2×1017 cm-3。當Mg/Ga比超過了2%時，會形成位于深施主能級的MgGa-VN，起自補償作用，此時，440 nm的藍光發(fā)光峰會出現(xiàn)，

7、并且隨著Mg/Ga比的不斷增大，440 nm的藍光發(fā)光峰逐漸增強。同時，較大的Mg/Ga比會導(dǎo)致p型GaN表面出現(xiàn)顆粒狀的物質(zhì)，并且隨著比值的增加，顆粒的尺寸增大。結(jié)果表明在重摻雜狀態(tài)下，Mg雜質(zhì)并不是全部以受主狀態(tài)存在，而是部分以深施主狀態(tài)存在。
　　5、研究了阱層厚度對藍光InGaN/GaN量子阱性能的影響。結(jié)果表明：在相同的激發(fā)功率下，隨著阱厚的增加，光致發(fā)光譜(PL)發(fā)光波長出現(xiàn)紅移，并且激發(fā)功率越大，紅移程度越弱。隨著阱

8、厚的增加，對于較薄的量子阱(1.8和2.7 nm)，PL發(fā)光波長的紅移是由帶隙填充效應(yīng)引起的；對于較厚的量子阱(3.6和4.5 nm)，PL發(fā)光波長的紅移是由極化場屏蔽效應(yīng)引起的。阱最薄的樣品(1.8 nm)由于其極化效應(yīng)最弱，EL譜具有最高的發(fā)光強度，但其發(fā)光波長較短僅有430 nm，比標準的藍光波長(450 nm)藍移了20 nm。雖然，可以通過降低生長溫度或增加In源流量的方法使其發(fā)光波長變?yōu)?50 nm，但其晶體質(zhì)量會變差，導(dǎo)致

9、EL發(fā)光強度比2.7 nm阱厚的樣品低，因此，在標準的藍光波段2.7 nm為較理想的阱厚。
　　6、研究了量子阱中勢阱層的生長速率對綠光InGaN/GaN量子阱性能的影響。HRXRD結(jié)果表明：隨著勢阱層生長速率的提高，量子阱的界面質(zhì)量不斷惡化。AFM結(jié)果表明：隨著阱層生長速率的提高，量子阱表面開始出現(xiàn)裂紋，并且裂紋的尺寸逐漸增大。PL結(jié)果表明：在低的生長速率下， PL發(fā)光強度會明顯提高，F(xiàn)WHM變窄，發(fā)光波長藍移。以上結(jié)果表明降低