硅襯底GaN基發(fā)光二極管設(shè)計與外延生長.pdf

1、近年來，作為固體照明的LED光源發(fā)展迅速，正逐漸進(jìn)入到室內(nèi)照明領(lǐng)域，并以其節(jié)能和環(huán)保的特點，受到世界各國政府的重視和支持。單晶硅，是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，硅具有良好的導(dǎo)電，導(dǎo)熱性，晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，此外硅技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中已相當(dāng)成熟。以硅作為GaN外延生長的襯底材料是非常引入注目的，因為有可能將半導(dǎo)體器件與硅器件集成。然而，由于GaN與硅材料晶格和熱應(yīng)力的不匹配，在硅襯底上生長高質(zhì)量的GaN厚膜非常困難。硅襯底L

2、ED的生長和制作還許多沒有解決的問題，如何提高硅襯底GaN外延材料的質(zhì)量，制作高亮度的硅襯底LED，成為世界各國研究機(jī)構(gòu)爭搶的制高點。爭取在硅襯底LED上有所突破，對我國LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。
　　 本文圍繞硅襯底LED的設(shè)計和硅襯底的GaN外延生長展開研究。硅襯底LED理論設(shè)計的重點是采用光子晶體的結(jié)構(gòu)提高LED器件的出光效率；在實驗上，我們研究了緩沖層和插入層對硅襯底的GaN薄膜的影響，并在硅襯底上嘗試了微納尺寸的

3、周期性圖形掩膜的制作。主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　 1.我們發(fā)展了一套用于模擬面發(fā)射器件如LED和OLED等光學(xué)特性的計算平臺，首次提出了用面光源輻射的方法來處理LED器件的出光，和傳統(tǒng)的點光源模型相比，模擬結(jié)果更接近實驗的結(jié)論。
　　 2.我們應(yīng)用光子晶體LED的模擬平臺，首次提出了具有內(nèi)嵌光子晶體反射層的硅襯底LED結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)利用了襯底與外延層接口處的光子晶體的高反射特性，可有效的減少發(fā)光層的出光進(jìn)入到吸光的襯底

4、當(dāng)中。經(jīng)過合理的設(shè)計，可以將硅襯底LED的出光效率提高50％～100％。
　　 3.我們分別使用了高溫AlN緩沖層，SiC中間層和低溫AlN插入層的方法，對硅襯底GaN的材料生長進(jìn)行了研究。對AlN緩沖層的研究表明，AlN緩沖層的生長溫度1000℃以上時，GaN可獲得較好的晶體質(zhì)量；我們發(fā)現(xiàn)SiC表面形貌對后續(xù)生長的AlN和GaN表面有重要的影響，同時，GaN薄膜的應(yīng)力隨著SiC中間層厚度的增加而逐漸釋放；我們對低溫AlN插入層