III族氮化物半導體外延層薄膜的生長與表征研究.pdf

1、 以Ⅲ族氮化物為研究對象的固體發(fā)光技術，帶動了與之密切相關的藍光、綠光和發(fā)光二極管（Light-emitting Diode，LED）照明與紫外探測器的應用。在這個方興未艾的領域里，雖然很多技術瓶頸已經取得了突破，但是仍然有不少問題尚未解決，例如，雖然紫外半導體激光器和紫外 LED、綠光 LED 技術已經取得了長足的進步，但它們的內量子效率仍然不高；即使是藍光 LED 內量子效率已經很高了，但是隨著工作電流的增加，其輸出效率會急速降低

2、（Efficiency-Droop Effect）。我們知道，位錯的量級在固體發(fā)光特性中扮演著非常重要的角色，是引起發(fā)光效率降低的主要因素。因此，在Ⅲ族氮化物半導體器件大規(guī)模商業(yè)化的同時，對Ⅲ族氮化物外延層薄膜結晶質量做更進一步的提高依然十分重要；對Ⅲ族氮化物半導體外延層薄膜生長和表征的深入研究依然是當前的研究熱點。本文從Ⅲ族氮化物半導體材料的生長和表征出發(fā)，重點研究了 AlGaN、InGaN 的生長和表征技術、GaN 非諧效應的變溫

3、Raman 散射以及 LED 發(fā)光轉變機制的低頻噪聲表征等問題。主要的成果如下：
1. 提高 AlGaN 外延層結晶質量的低溫加高溫 AlN 成核層技術的生長與表征
采用金屬有機化學氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition， MOCVD）法，通過在高溫 AlN 成核層與襯底之間插入一薄層低溫 AlN 成核層結構，有利于提高 AlGaN 外延層的結晶質量。通過高分

4、辨 XRD 結果表明，AlGaN外延層薄膜的線位錯密度明顯降低；原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope， AFM）結果表明，AlGaN 外延層的表面相貌得到改善，表面粗糙度降低。
2. AlGaN 外延層結晶質量進一步提高的自支撐 GaN 襯底與低溫加高溫 AlN成核層技術的生長與表征
采用低溫加高溫 AlN 成核層的 MOCVD 法生長 AlGaN 外延層，通過與藍寶石襯底進行對比，研

5、究了 AlGaN 外延層的相關缺陷行為和發(fā)光特性。發(fā)現以自支撐GaN 襯底生長的 AlGaN 外延層，雖然表面形貌的起伏較大，但結晶質量和發(fā)光性質均得到了明顯地提高，刃位錯密度和總位錯密度得到了較大幅度的降低。
3. 溫度對 InGaN 外延層薄膜結晶質量的影響
在不同溫度下，對 InGaN 外延層薄膜的發(fā)光特性與結晶質量和 In 組分之間的關系進行了研究。提出在較低溫度（650℃）時生長的 InGaN 外延

6、層薄膜，在 In組分（15.36%）較高時 InGaN 外延層的結晶質量、表面形貌與發(fā)光特性均得到了明顯地提高，線位錯密度明顯降低。
4. 插入 AlN 成核層結構的 InGaN/GaN MQW LED 光電轉換效率的模擬研究采用 STR 公司的 SimuLED5.2 軟件，對插入 AlN 成核層結構的多量子阱 LED的能帶結構、發(fā)射光譜、Auger 電流密度、非輻射復合電流等方面進行模擬研究。結論表明，插入 AlN 成核

7、層結構的多量子阱具有較高的內量子效率；隨著偏置電壓的逐漸增大，IQE 下降幅度較小。
5. GaN 外延層的非諧效應進行變溫 Raman 表征
通過對不同溫度段（整個測試溫度段，高溫段和臨界溫度）Raman 頻移與溫度的分析，提出了采用一階指數衰減數學模型，可以對樣品的非諧效應進行對比。在忽略高能聲子衰變的情況下，進一步采用該模型還可以計算出熱膨脹系數或者Grüneisen 參數。
6. InG

8、aN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管發(fā)光機制轉變的低頻電流噪聲表征
以低頻 1/f 噪聲理論為依據，研究了 InGaN/GaN 多量子阱（Multiple Quantum Well，MQW）發(fā)光二極管（Light-emitting Diode，LED）發(fā)光機制轉變的低頻噪聲表征方法。在電流從 0.1mA 到 10mA 之間變化時，對 InGaN/GaN 多量子阱結構LED 的電流 1/f 噪聲進行了測試，結論表明：（1）隨著電