藍(lán)寶石襯底上AlN薄膜和GaN、InGaN量子點(diǎn)的MOCVD生長(zhǎng)研究.pdf

1、紫外波段的AlGaN發(fā)光器件對(duì)于白光照明、空氣和水的凈化、消毒殺菌、高密度存儲(chǔ)等領(lǐng)域意義重大,因此對(duì)AlGaN發(fā)光器件的研究成為當(dāng)下人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前生長(zhǎng)AlGaN材料普遍使用的襯底是藍(lán)寶石,材料中的穿透位錯(cuò)通常在1010-1012cm-2量級(jí),這嚴(yán)重影響著AlGaN基發(fā)光器件的量子效率。經(jīng)過多年的探索,現(xiàn)在普遍認(rèn)為的一個(gè)解決方案是在藍(lán)寶石襯底上制備高質(zhì)量的AlN薄膜作為AlGaN器件的模板,在此模板上可以獲得高質(zhì)量無裂紋的AlGaN

2、材料。因此,如何在藍(lán)寶石襯底上制備高質(zhì)量的AlN模板已經(jīng)成為AlGaN器件發(fā)展的關(guān)鍵一步。目前,由于量子點(diǎn)的獨(dú)特性能,研究者發(fā)現(xiàn)通過在有源區(qū)中引入量子點(diǎn)的途徑也可以提高器件的量子效率。量子點(diǎn)的尺寸接近于電子的波爾半徑,電子的運(yùn)動(dòng)被限制在量子點(diǎn)內(nèi)部,因此載流子的復(fù)合概率變大。量子點(diǎn)所表現(xiàn)出的各種量子特性和光學(xué)非線性,無論是在基本物理方面還是在器件應(yīng)用方面(包括激光器、單光子光源和量子計(jì)算等)都有巨大的研究?jī)r(jià)值。
　　本論文的第一部分

3、工作詳細(xì)介紹了金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)AlN模板的研究。首先采用低溫成核層技術(shù)和脈沖原子層外延(PALE)技術(shù)相結(jié)合的方法生長(zhǎng)AlN材料,討論了影響AlN晶體質(zhì)量和表面形貌的各種因素,研究了生長(zhǎng)條件對(duì)于生長(zhǎng)模式影響的根本原因,從而解決AlN生長(zhǎng)中所面臨的難題。文中主要研究了襯底表面處理工藝、低溫成核層工藝(包括生長(zhǎng)溫度、厚度以及V/III)和PALE生長(zhǎng)工藝(包括生長(zhǎng)溫度、V/III和生長(zhǎng)速率)對(duì)于AlN材料的影響。我們

4、發(fā)現(xiàn)襯底在不同的處理工藝下,AlN和襯底之間的失配應(yīng)力的釋放機(jī)制有所不同。通過氮化處理,可以有效提高晶體的取向性并獲得Al極性的AlN材料。通過低溫成核層工藝的研究,我們獲得了(002)面搖擺曲線半高寬(FWHM)為63arcsec,(102)面半高寬為1106arcsec的樣品,其表面完全愈合,沒有發(fā)現(xiàn)坑(pits)的存在。在成核層的基礎(chǔ)上,通過PALEAlN層的生長(zhǎng)研究,我們獲得了表面無裂紋,厚度達(dá)636nm的AlN外延層。

5、　　在本論文的第二部分工作,主要介紹了量子點(diǎn)生長(zhǎng)的研究工作。首先,在AlN模板上研究了GaN量子點(diǎn)的生長(zhǎng)工藝。試驗(yàn)中分別采用了S-K(Stranski-Krastanov)生長(zhǎng)模式和Gadropletsepitaxy的方法制備GaN量子點(diǎn)。在S-K生長(zhǎng)模式中,研究了生長(zhǎng)時(shí)間、反應(yīng)物流量、生長(zhǎng)壓強(qiáng)和生長(zhǎng)溫度對(duì)GaN量子點(diǎn)形貌的影響。雖然由于生長(zhǎng)速率太高無法獲得GaN量子點(diǎn),但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明如果生長(zhǎng)厚度能夠精確控制的話,通過生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化可以

6、在S-K模式下獲得GaN量子點(diǎn)。在Gadropletsepitaxy方法制備GaN量子點(diǎn)過程中,則討論了各步生長(zhǎng)工藝對(duì)于量子點(diǎn)的影響,初步實(shí)現(xiàn)了控制GaN量子點(diǎn)尺寸、密度和質(zhì)量的生長(zhǎng)條件。量子點(diǎn)橫向尺寸在100nm以內(nèi),縱向尺寸在10nm以內(nèi),密度在108cm-2到1010cm-2量級(jí)間可控,并在310nm處觀測(cè)到光致發(fā)光(PL)峰。然后在Gadropletsepitaxy方法形成的GaN量子點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研究了量子點(diǎn)caplayer的生

7、長(zhǎng)工藝,在合適的生長(zhǎng)條件下獲得了表面平整的AlNcaplayer。最后,在P-GaN模板上通過Gadropletsepitaxy的方法實(shí)現(xiàn)了GaN量子點(diǎn)的制備,并研究其生長(zhǎng)工藝對(duì)于量子點(diǎn)形貌的影響。
　　然后,我們?cè)贕aN模板上通過S-K方法制備了InGaN量子點(diǎn),試驗(yàn)中通過生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率和In組分等因素控制InGaN量子點(diǎn)的尺寸和密度,獲得了橫向尺寸在20-80nm,縱向尺寸在2-15nm,密度在1010cm-2量級(jí)的InG