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高Al组份AlGaN/GaN半导体材料的生长方法研究

周小伟  
【摘要】:GaN基LED技术是实现半导体照明的关键技术,GaN基深紫外LED不仅具有高的白光转化效率,而且还在医疗、净化等方面有重要的应用。然而制备深紫外LED所需的高Al组份AlGaN材料的生长、掺杂一直是限制器件发展的关键因素。 本文在此背景下展开了对GaN基深紫外LED的研究工作,主要涉及AlN、高Al组份AlGaN材料的生长,AlGaN材料的n型和p型掺杂及UV LED器件研制等多方面,主要研究成果如下: 1、成功得到了氮化物半导体材料生长的最佳缓冲层厚度值,发现过厚或过薄的低温AlN缓冲层都不利于氮化物半导体材料的生长。 在自主MOCVD系统上,脉冲生长实现了高质量的AlN材料,其XRD (002)面的半高宽最小只有43arcsec,(102)面半高宽最小为228arcsec。 通过对AlN基板上不同Al组份的AlGaN材料生长,得到不同Al组份AlGaN材料生长时的应力变化关系。发现当其所受的张应力和压应力处于一种平衡的状态时,AlGaN材料有最佳的材料质量。 2、通过AlGaN/AIN超晶格结构(SLs)提高了AlGaN材料的生长质量。发现Al0.45Ga0.55N/AlN SLs的周期厚度对Al0.45Ga0.55N材料质量有重要影响,SLs结构不仅可以阻挡位错在薄膜生长时的延伸,而且可调控薄膜中的应力;研究得到最优的SLs层厚度为7nm,并生长出了高质量的Al0.45Ga0.55N材料,其(002)面XRD摇摆曲线的FWHM值仅为259arcsec,(102)面也只有885arcsec; AFM测得其表面有明显的原子台阶,粗糙度仅为0.185nm。 成功得到AlGaN材料生长时的Al组份与TMA/(TMA+TEG)的关系;发现AlGaN材料的表面粗糙度随Al组份的增加而增大;得到高质量的不同Al组份的AlGaN材料,其表面均有明显原子台阶。 3、实现了AlGaN材料的n型和p型有效掺杂。研究了Al组份对于AlGaN材料n型掺杂的影响,研究了SiH4掺入量与n型载流子浓度的变化关系,得到精确控制AlGaN材料的n型掺杂的工艺条件。 通过对生长温度、Mg源掺入量及退火温度的优化,实现了AlGaN材料的p型高质量掺杂,得到p型掺杂的Al组份为0.2的AlGaN材料的电阻率值仅为0.71Ω·cm,为此Al组份值AlGaN体材料p型掺杂。 采用AlGaN/GaN超晶格结构实现p型的高浓度掺杂,经过对超晶格周期厚度的优化,发现10nm的周期为Mg:AlGaN/GaN超晶格结构p型掺杂的最佳厚度值,得到了p型材料电阻率仅为0.034Ω·cm,p型载流子浓度高达1.26×1019cm-3,这一结果比通常体材料的掺杂水平高近一个数量级。 4、在蓝宝石衬底上成功生长出不同发光波长的AIXGa1-XN/AlYGa1-YN多量子阱(MQWs)。研究了AlxGa1-xN/AlYGa1-YN量子阱的周期厚度及势垒Si掺杂对MQWs发光特性的影响, 成功生长出高质量的、波长小于300nm的UV LED全结构。采用横向结构、通过器件工艺的流片,成功获得UV LED管芯。对器件的测试结果显示,UV LED的输出功率达到毫瓦量级。 5、经过对生长条件的优化,有效地提高了GaN材料的生长质量。其(002)面的半高宽由最初的800arcsec减小到378arcsec,(102)的半高宽也有1508arcsec减小到了597arcsec。 得到了脉冲法生长的高质量A1N为基板得到高质量的GaN材料,生长的材料表面原子台阶明显,XRD测得的(102)面半高宽降至348arcsec,(002)面半高宽更是低至70arcsec,为目前已报道的蓝宝石衬底上生长GaN的最小半高宽。 6、在蓝宝石衬底成功生长出AlInN/GaN异质结材料,采用脉冲法有效提高了AlInN薄膜的生长质量,并通过对TMA流量及A1N插入层厚度的优化提高了AlInN/GaN异质结的电学特性,报道的异质结迁移率可达1033cm2/vs,2DEG面密度达1.96E+13/cm2。 7、采用多超晶格结构有效提高了r面蓝宝石衬底上的非极性a-GaN材料的生长质量。研究表明多超晶格结构可有效提高a-GaN材料的质量,消除表面的三角坑缺陷。报道了高质量的a-GaN材料,其摇摆曲线FWHM仅为695arcseco 综上所述,本文通过对生长深紫外LED所需的各关键技术的研究,得到了高质量的AlN、AlGaN材料及实现了n型、p型AlGaN材料的有效掺杂,制备出了不同发光波长的量子阱结构,外延生长了深紫外LED的全结构,得到毫瓦级功率的UV LED器件。同时,外延生长出了高质量的GaN材料、AlInN/GaN异质结材料及a面GaN材料。


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