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高质量GaN基材料外延生长工艺及其光电特性研究

吕志勤  
【摘要】:本论文主要分为两大部分:第一部分是以蓝宝石(Al2O3)为衬底通过小面控制侧向外延生长技术(FC-ELOG)形成半极性(11-22)氮化镓(GaN)小面,随之外延生长半极性氮化镓铟(InGaN)多量子阱(MQWs)结构。利用金属有机物气相沉积(MOCVD),我们在不同条件下生长了半极性小面GaN和InGaN多量子阱样品,通过对样品的表面形貌和光学特性的分析,研究了GaN和InGaN量子阱的显微结构、发光性质及压应力分布等。获得了创造性的成果: (1)研究了衬底图形对GaN基发光二极管(LED)器件的影响。实验结果表明,衬底图形形状为“半球”结构的时候,能更有效的降低材料位错密度,管芯尺寸1×1cm2的LED输出功率能达到358mW。 (2)研究了不同的生长温度对半极性(11-22)GaN表面形貌的影响。实验结果表明,低温生长不仅可以消除二氧化硅(SiO2)的表面迁移运动,并且减小了过度生长发生的机率,获得了表面光滑、形貌较好的半极性GaN外延。 (3)研究了不同生长温度下,半极性面InGaN量子阱的发光特性。实验结果表明,可以通过改变InGaN量子阱层的生长温度来调节In组分的含量,从而得到不同的发光波长。 (4)研究了相邻小面完全聚合和不完全聚合的半极性(11-22)面GaN对InGaN多量子阱发光特性的影响。实验结果表明,完全聚结小面生长的InGaN量子阱发光峰的跨度更宽,能从紫外光延伸到可见光的蓝绿黄光区。并实现了InGaN多量阱的波长剪裁和多色光合成。 第二部分是以硅(Si)作为衬底,同样采用MOCVD生长方式制备GaN外延。以Si衬底上生长GaN的难点为基础,围绕Si衬底上高质量GaN外延的生长展开的研究工作。通过对其显微结构和光电特性的分析,取得了创新的成果: (1)研究了预沉积A1时间对GaN外延的影响。分别在高温A1N (HT-A1N)和低温AIN(LT-AIN)作为缓冲层时,对预沉积时间做了优化,实验结果表明在HT-A1N作为缓冲层时,真正能起到阻止氮化硅(SiNx)作用的是HT-AlN缓冲层。 (2)研究了AlN缓冲层厚度对GaN外延的影响。实验结果表明,两种缓冲层有一个合适的厚度范围,AlN缓冲层太薄不阻止Si的扩散和Ga滴的回熔,太厚则失去了缓冲层的意义而变成了外延层,并发现HT-AlN比LT-AlN做缓冲层对GaN外延的生长更有益。 (3)研究了插入层的结构对GaN外延的影响。选取了均匀渐变和5个阶梯渐变的AlxGa1-xN (x=0.9-0.1)插入层结构进行研究对比,实验结果表明,均匀渐变的AlxGa1-xN插入层能更好的将位错终止在异质界面上,减少表面裂纹提高外延质量。 (4)研究了均匀渐变AlxGa1-xN插入层的生长速率对GaN外延的影响。实验结果表明,插入层生长速度越慢越利于GaN“伪二维”的生长;并能有效降低外延生长的应变,从而大大提高了GaN质量。 (5)研究了HT-AlN/AlxGa1-xN复合插入层对GaN外延薄膜的影响。通过对A1N插入层厚度的优化,成功得到了2μm的表面光滑无裂纹高质量的GaN外延。


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