GaN基發(fā)光管材料的MOCVD生長研究.pdf

1、本文主要研究了GaN基LED的MOCVD材料生長與性質(zhì)，主要內(nèi)容如下： 1．研究了緩沖層的作用機(jī)理以及高溫生長初始階段生長Ⅴ/Ⅲ比、生長壓力、等參數(shù)對GaN表面形貌、晶體質(zhì)量、光學(xué)質(zhì)量以及電學(xué)質(zhì)量的影響。利用EBSD技術(shù)研究了藍(lán)寶石—GaN界面處的局域應(yīng)力的分布情況，結(jié)果表明GaN緩沖層己呈現(xiàn)出具有小角度位錯的單晶結(jié)構(gòu)，失配應(yīng)力也通過GaN緩沖層得到釋放；在低溫以及高溫生長的初始階段，較高的壓力利于增大島的尺寸，減小島密度，同時

2、降低高溫生長初始階段的Ⅴ/Ⅲ比還可以推遲GaN小島的合并，減少刃位錯密度；采用斜切的襯底，可以有效地降低缺陷密度，提高GaN的晶體質(zhì)量。并且存在一個最優(yōu)斜切角度0.2°，此時GaN外延層不但具有光滑平整的表面，而且具有最優(yōu)的光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)，并對其作用機(jī)理進(jìn)行了探討。優(yōu)化了本征GaN材料的生長條件，成功制備出了遷移率高達(dá)697cm<'2>/V·s的器件級高質(zhì)量GaN外延材料。 2．研究了GaN摻雜的基本原理以及摻雜對材料特性和器件

3、性能的影響。 (1)n型摻雜： 研究了生長溫度的影響，結(jié)果表明高溫生長的n-GaN具有高的晶體質(zhì)量與電學(xué)特性。研究了Si摻雜濃度對n-GaN的特性以及器件性能的影響，摻雜濃度較低時，n-GaN的電阻率高，影響器件的電流橫向擴(kuò)展，降低LED發(fā)光效率；摻雜濃度較高時，n-GaN的晶體質(zhì)量下降，由摻雜所產(chǎn)生的缺陷會在有源區(qū)產(chǎn)生非輻射復(fù)合中心，這同樣會降低LED的發(fā)光效率。在優(yōu)化了Si摻雜濃度的基礎(chǔ)上，提出了變摻雜技術(shù)來進(jìn)一步提

4、高器件的性能。即：在靠近有源區(qū)處，降低n-GaN的摻雜水平，這樣不僅可以保證電流的橫向擴(kuò)展，而且可以有效的降低由摻雜產(chǎn)生的缺陷向有源區(qū)延伸，從而減少由缺陷產(chǎn)生的非輻射復(fù)合中心，提高器件性能與可靠性。進(jìn)行了n-GaN的重Si摻雜生長研究。伴隨Si摻雜濃度的提高，材料的表面形貌變差，晶體質(zhì)量與光學(xué)質(zhì)量也逐漸惡化，并出現(xiàn)嚴(yán)重的補(bǔ)償現(xiàn)象。 (2)p型摻雜： 生長氣氛對p-GaN的晶體質(zhì)量以及電學(xué)特性有著重要的影響。采用H<,2>

5、生長的p-GaN材料具有更高的晶體質(zhì)量、電學(xué)性能以及好的表面性貌。研究了不同摻Mg量下生長的p-GaN蓋層對器件電學(xué)特性的影響，結(jié)果表明：生長p-GaN蓋層時，Mg流量過低，蓋層的自由空穴濃度低，致使器件電學(xué)特性不佳；Mg流量過高，則會產(chǎn)生大量的缺陷，蓋層晶體質(zhì)量與表面形貌變差，自由空穴濃度降低，也會使器件電學(xué)特性變差。因此生長器件的 p-GaN蓋層時，Mg流量應(yīng)精確控制。 p-GaN生長溫度的降低有利于提高LED器件的發(fā)光強(qiáng)度。在低溫

6、范圍 870-980℃生長p-GaN，用霍爾技術(shù)測量其電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于900℃時，材料電阻較高；在900～980℃都可獲得導(dǎo)電性能良好的p型氮化鎵，并對低溫p-GaN的生長條件如Mg摻雜濃度、Ⅴ/Ⅲ比進(jìn)行優(yōu)化；采用優(yōu)化的 D-GaN材料制作綠光LED器件，發(fā)現(xiàn)：生長溫度越低，LED發(fā)光強(qiáng)度越高，反向電壓越高，但正向電壓稍高。對6摻雜制備的p-GaN進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)采用6摻雜后P-GaN樣品的表面形貌平整，缺陷密度小，呈現(xiàn)高的

7、導(dǎo)電特性，說明6摻雜對缺陷的蔓延有抑制作用；對預(yù)通氨處理技術(shù)作了深入研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)通氨過程會引入載氣中的O雜質(zhì)，并且，過高的Ⅴ/Ⅲ比也會使表面鈍化，不利于雜質(zhì)Mg的摻入。 對InGaN：Mg薄膜的生長進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：空穴濃度隨著生長溫度的降低而增加；在相同的生長溫度下，空穴濃度隨摻Mg量的增加先增加后降低。通過對這兩個生長條件的優(yōu)化，我們在760℃，Mg/Ga比2.2％。時制備出了空穴濃度高達(dá)2.4×10<'19>cm<'-

8、3>的p<'++>型InGaN：Mg薄膜。這對提高GaN基電子器件與光電子器件的性能具有重要意義。 3．研究了生長氣氛、生長溫度、In/Ga比等生長條件對InGaN/GaN多量子阱質(zhì)量的影響。結(jié)果表明降低InGaN阱的生長溫度可以有效增加阱層的In組分，使得光熒光峰值波長紅移，但同時會降低多量子阱的光學(xué)質(zhì)量；提高GaN壘的生長溫度可以有效提高壘層的晶體質(zhì)量，進(jìn)而改善多量子阱的光學(xué)質(zhì)量；此外高的TMIn/(TMIn+TMGa)比會

9、致使多量子阱的界面與光學(xué)質(zhì)量下降。研究了生長停頓對InGaN/GaN多量子特性的影響，結(jié)果表明采用生長停頓，可以改善多量子阱界面質(zhì)量，提高多量子阱的光熒光強(qiáng)度與電注入發(fā)光強(qiáng)度；但生長停頓的時間過長，阱的厚度會變薄，界面質(zhì)量變差，不僅In組分變低，富In的發(fā)光中心減少，而且會引入雜質(zhì)，致使電熒光強(qiáng)度下降。研究了多量子阱結(jié)構(gòu)參數(shù)對其特性的影響，為優(yōu)化有源區(qū)結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。研究了應(yīng)力對InGaN/GaN多量子阱特性的影響，并采用應(yīng)力緩沖層技術(shù)