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文檔簡介
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、光學質(zhì)量以及電學質(zhì)量的影響。利用EBSD技術研究了藍寶石—GaN界面處的局域應力的分布情況,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,失配應力也通過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)的光學與電學性質(zhì),并對其作用機理進行了探討。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摻雜濃度的基礎上,提出了變摻雜技術來進一步提
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)生的非輻射復合中心,提高器件性能與可靠性。進行了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)量與光學質(zhì)量也逐漸惡化,并出現(xiàn)嚴重的補償現(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,也會使器件電學特性變差。因此生長器件的 p-GaN蓋層時,Mg流量應精確控制。 p-GaN生長溫度的降低有利于提高LED器件的發(fā)光強度。在低溫
6、范圍 870-980℃生長p-GaN,用霍爾技術測量其電學性能,發(fā)現(xiàn)當溫度低于900℃時,材料電阻較高;在900~980℃都可獲得導電性能良好的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進行了詳細研究,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、導電特性,說明6摻雜對缺陷的蔓延有抑制作用;對預通氨處理技術作了深入研究,發(fā)現(xiàn)預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,進而改善多量子阱的光學質(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度與電注入發(fā)光強度;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),致使電熒光強度下降。研究了多量子阱結(jié)構參數(shù)對其特性的影響,為優(yōu)化有源區(qū)結(jié)構提供了依據(jù)。研究了應力對InGaN/GaN多量子阱特性的影響,并采用應力緩沖層技術
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