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《华中科技大学》 2011年
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用于固态照明的非极性a面GaN薄膜的MOCVD生长及表征

孙玉芹  
【摘要】:Ⅲ族氮化物是一类高效的发光二极管材料。不过,其沿[0001]c方向存在强的极化场,导致电子和空穴的波函数在空间分布上分离,即量子束缚斯塔克效应。这种效应会降低量子阱中载流子的辐射复合效率并且使激发峰红移。沿非极性[1120]a和[1100]m方向生长的非极性面材料,由于它的极化场是垂直于生长方向的,故不存在极化场的这种影响。沿非极性方向生长的薄膜位错密度比较高、晶体质量比较差并且面内结晶各向异性比较强,是亟待改进的缺点。本论文工作通过成核层的优化和图形化r面蓝宝石衬底的使用,用MOCVD法沿非极性方向生长的a面GaN薄膜缺陷密度明显降低,同时晶体质量和面内结晶各向异性也得到改善。 由于成核层的特性直接影响到生长在r面蓝宝石衬底上的α面GaN薄膜,因此,优化成核层的生长参数,如温度、厚度、Ⅴ/Ⅲ比率等对生长高质量非极性a-GaN薄膜是非常重要的。首先,对低温AlN成核层的生长温度从690℃到750℃进行了优化。结果表明低温AlN成核层的生长温度对a面GaN薄膜的晶体质量有非常大的影响,当低温AlN成核层的生长温度为720℃时,生长的a面GaN薄膜具有平整的表面和较好的晶体质量。 在优化低温AlN成核层生长温度的实验中,同时发现衬底的氮化处理对a面GaN薄膜的表面形貌和晶体质量有很大的影响。于是,继续研究了不同成核层,即衬底的氮化处理和高低温AlN成核层对生长在r面蓝宝石衬底上的a面GaN薄膜的影响。用传统的两步法,即仅包括低温AlN成核层没有氮化处理,所生长的a面GaN薄膜表面很粗糙没有愈合。然而,在生长低温AlN成核层前加上对衬底进行氮化处理,薄膜的表面形貌变得光滑。更重要的是,仅对r面蓝宝石进行氮化处理比同时用氮化处理和低温AlN成核层生长的a面GaN薄膜的晶体质量好,这表明在r面蓝宝石衬底上生长高质量a面GaN薄膜的关键工艺是衬底的氮化处理而非低温AlN成核层。由于低温和高温AlN成核层特性的不同,类似的又做了关于氮化和高温AlN成核层之间的实验研究,结果发现高温AlN成核层对于a面GaN薄膜也非常重要,并且衬底的氮化处理和高温AlN成核层同时应用生长的a面GaN薄膜的表面形貌和晶体质量最好。 为了进一步提高薄膜的晶体质量,采用上述优化的成核层生长工艺,即同时用氮化和高温AlN成核层,在图形化r面蓝宝石衬底上用MOCVD法生长了a而GaN薄膜。结果表明,这样生长的a面GaN薄膜表面形貌光滑,表面粗糙度为1.2nm;晶体质量高,面内结晶各向异性也大大降低,沿面内c方向和m方向的全宽半高宽分别为684arcsec和828arcsec;并且由于穿透位错密度的降低和光提取效率的增加,阴极激发峰增强。因此,采用对衬底的氮化处理结合高温AlN成核层的生长工艺,在半球形r面蓝宝石衬底上生长a面GaN薄膜是获得高质量和高性价比的非极性a面光电器件的有效途径。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN304.055

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【引证文献】
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