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基于预处理衬底GaN外延生长及器件研究

彭冬生  
【摘要】: 传统的横向外延生长技术都采用了掩模版,不仅使得横向外延工艺复杂,而且掩模区外延薄膜和底下的掩模版之间的相互作用,使得横向外延生长的掩模区薄膜会发生向下的晶向倾斜以及在掩模区边界处会产生一些小角度晶界。本论文针对蓝宝石衬底上传统横向外延生长GaN薄膜存在的问题,基于横向外延生长原理,并结合MOCVD薄膜生长技术,采用化学方法处理蓝宝石衬底表面,以形成一定的图案,然后再在此一定图案的蓝宝石衬底上外延生长出高亮度的GaN基蓝光LED,并对GaN的结构特性、光学性质以及LED器件进行了系统的研究。本论文主要完成了以下几方面的研究工作: 1.阐述了与本课题密切相关的理论和技术问题,尤其是激光反射在位监测系统。 2.探讨了蓝宝石衬底表面处理的影响因素,并对其在表面处理前后的质量进行了对比研究。研究结果表明:采用熔融的KOH溶液,在280℃下,腐蚀30—60min左右,腐蚀效果比较明显。而且,表面处理对其晶体质量和光学质量影响不大。 3.利用椭圆偏振光谱研究了GaN的光学性质,通过拟合获得了GaN薄膜的厚度及折射率色散关系,发现以此获得的GaN薄膜厚度与基于GaN薄膜的透射光谱计算得到的薄膜厚度,结果几乎一致。 4.论述了在表面处理的蓝宝石衬底上外延生长低位错密度、高质量GaN薄膜的机理。在GaN外延生长过程中,首先在腐蚀坑周围位置形核,通过改变外延生长条件,使其横向生长,得到全覆盖的、均匀的GaN薄膜。在没有腐蚀坑处,本身不是缺陷集中的位置,同时在随后的横向外延生长过程中,其部分线位错弯曲90°,使其不能到达薄膜表面,这样可以大大降低位错密度;而且腐蚀坑的中空结构可以释放应力,提高外延层的质量。 5.利用DC-XRD、SEM、AFM、SE、PL以及透射光谱分析了蓝宝石衬底表面处理对GaN薄膜晶体质量和光学质量的影响。分析结果表明:在经过表面处理的蓝宝石衬底上外延生长的GaN薄膜表现出更优异的光学质量和结晶质量。其DC-XRD(0002)面上的FWHM为208.80arcsec,(10-12)面上的为320.76arcsec;位错密度降低到5.5×10~7cm~(-2);其PL的FWHM为8.2nm,几乎没有黄光带;而且其透射光谱具有更高的透射率和更大的调制深度。 6.研究了衬底表面处理时间对GaN外延膜质量的影响。随着腐蚀时间的增加,GaN薄膜质量增加,但增加到一定时间后,其质量反而降低,在280℃,对蓝宝石衬底腐蚀50min情况下,外延生长的GaN薄膜晶体质量和光学质量最优。其DC-XRD(0002)面上的FWHM降低到202.68arcsec,(10-12)面上的降低到300.24arcsec;位错密度降低到3.1×10~7cm~(-2);其PL的FWHM降低到6.7nm。 基于上述研究,在表面处理的蓝宝石衬底上制备出了高性能的GaN基蓝光LED。其在20mA的正向注入电流下,蓝光峰值波长为455—460nm,输出光功率大于6mW,-5V反向电压下,反向漏电流小于0.05μA。


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