硅襯底GaN光學(xué)性能及芯片出光效率的研究.pdf

1、GaN是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,它具有高電子遷移率、高熱導(dǎo)等優(yōu)異的物理性質(zhì),近來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注。GaN基材料廣泛地被用于藍(lán)、綠、紫外發(fā)光二極管和激光器,以及高溫大功率器件。Si襯底具有廉價(jià)、尺寸大、熱導(dǎo)率高和容易加工等優(yōu)點(diǎn),因而成為繼藍(lán)寶石和碳化硅之后,可以進(jìn)行批量生產(chǎn)LED的襯底。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的(0001)GaN與金剛石結(jié)構(gòu)的Si(111)襯底的晶格失配為20.4％,將產(chǎn)生大量的位錯(cuò)。GaN與Si之間的熱失配高達(dá)56%,外延生長(zhǎng)結(jié)束后

2、的降溫過(guò)程中,外延層將承受很大的張應(yīng)力。近年來(lái),Si襯底上GaN材料的生長(zhǎng)取得重大進(jìn)展,技術(shù)日趨成熟,但是仍有些問(wèn)題亟待解決,如外延質(zhì)量的更大提高,成本及效率等。
　　 本文圍繞Si襯底上GaN材料生長(zhǎng),就改善波長(zhǎng)均勻性及光強(qiáng)提高進(jìn)行了研究,采用PLmapping測(cè)試系統(tǒng)、熒光顯微鏡、雙晶X射線衍射儀等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在本實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)的ThomasSwanMOCVD上進(jìn)行外延生長(zhǎng)工藝調(diào)整,內(nèi)容如下:
　　 1、在N型層氮化

3、鎵中生長(zhǎng)一個(gè)1000A,8%In組分的InGaN插入層,研究其不同的插入位置0.27μm、0.4μm、0.53μm和1.0μm對(duì)波長(zhǎng)均勻性的影響。InGaN插入層在N層GaN中的位置對(duì)量子阱的影響是不同的,太近或者太遠(yuǎn)都將產(chǎn)生不利影響。
　　 2、通過(guò)優(yōu)化準(zhǔn)備層中In組分的大小和生長(zhǎng)條件,在不改變后面有源區(qū)量子阱生長(zhǎng)條件的基礎(chǔ)上研究對(duì)量子阱中In組分的影響,同時(shí)通過(guò)優(yōu)化準(zhǔn)備層的In組分提高載流子擴(kuò)展的均勻性。優(yōu)化后可得到的外延片

4、結(jié)果是主波長(zhǎng)521.46nm,標(biāo)準(zhǔn)偏差6.38nm,半峰寬33.35nm。
　　 3、研究生長(zhǎng)中斷以及生長(zhǎng)cap層時(shí)載氣類型對(duì)量子阱發(fā)光特性的影響。“停長(zhǎng)30s”會(huì)使量子阱InGaN分解,用1000H2長(zhǎng)cap層會(huì)使量子阱InGaN嚴(yán)重分解,量子阱在FL下均勻性差。由此可見(jiàn)氮載氣中加入H2比停長(zhǎng)對(duì)量子阱的影響更大。
　　 4、對(duì)不同阱層寬度的量子阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了波長(zhǎng)均勻性、半峰寬以及光強(qiáng)等特性的比較。當(dāng)量子阱層厚度改變幾個(gè)納

5、米就可使得PL發(fā)生變化。減薄阱層,波長(zhǎng)增大,均勻性也變好。但薄阱的PL強(qiáng)度下降,可能是受界面的非復(fù)合輻射中心的影響。
　　 5、在大NH3量條件下生長(zhǎng)MQWs,分別探索了固定In,Ga比,小TMIn/(TMIn+TEGa)比值;固定Ga,改變In;固定In改變Ga對(duì)波長(zhǎng)均勻性及光強(qiáng)的影響。三種實(shí)驗(yàn)條件下綜合考慮光強(qiáng),生長(zhǎng)速率,波長(zhǎng)均勻性,都出現(xiàn)較好的結(jié)果。
　　 本文最后基于通過(guò)晶片鍵合技術(shù)獲得具有N面朝上垂直結(jié)構(gòu)的Ga