AlGaN基紫外LED關鍵制備技術的研究.pdf

1、AlxGa1-xN是直接帶隙寬禁帶半導體材料，化學性質穩(wěn)定，耐高溫，抗輻射，波長在200～365nm范圍內連續(xù)可調，在空氣凈化、殺菌與消毒、半導體固態(tài)照明等領域具有廣泛的應用前景。AlGaN薄膜晶體質量對器件光電性能有很大影響，尤其制備紫外LED所需的高Al組份AlGaN材料的生長、量子阱結構的設計、極化效應的影響等一直是制約紫外LED發(fā)展的關鍵因素。因此，對AlGaN薄膜生長和表征的深入研究顯得尤為重要。本論文采用金屬有機物化學氣相沉

2、積(MOCVD)的方法制備了高質量的不同Al組分的AlGaN薄膜，并且系統(tǒng)地研究了AlGaN材料的物性，進而生長和表征了更具實用價值的AlInGaN四元材料的物性，同時從理論上研究了AlInGaN四元材料對于提高LED光電性能的影響。通過對生長工藝的優(yōu)化，制備了高質量的AlGaN/GaN多量子阱，為制備AlGaN基紫外LED打下了堅實的基礎。另外，對基于非極性與半極性藍寶石襯底上的GaN與AlGaN外延生長進行了系統(tǒng)的實驗探究。采用高分

3、辨X射線衍射(HR-XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光致發(fā)光譜(PL)、X射線光電子能譜(XPS)、同步輻射X射線光譜等手段，對外延材料的晶體質量、晶格畸變、表面形貌、表面化學態(tài)和光學特性進行了表征分析。本論文的研究內容與取得的成果如下:
　　1.采用優(yōu)化的MOCVD脈沖生長工藝，首先在藍寶石襯底上高溫生長了AlN緩沖層，進而得到了高質量的AlxGa1-xN外延薄膜，其中Al組分為0～87％。并且系統(tǒng)地研究了高溫AlN緩沖層對

4、減少裂紋密度，提高晶體質量的作用。測試結果表明當高溫AlN緩沖層的厚度為200 nm時，可以極大地改善AlGaN外延層的晶體質量。研究還發(fā)現(xiàn):隨著AlxGa1-xN薄膜中Al組分的增加，晶格發(fā)生了收縮，即晶格常數(shù)c、a以及c/a的比值均有所減小;與之相反的是內參數(shù)u的數(shù)值反而隨著Al組分的增加而增大，這種變化趨勢可以解釋為由于Al的并入增加，Al-N鍵的離子化效應增強所導致的。
　　2.采用Raman光譜研究了AlGaN薄膜中應力

5、的變化行為。研究結果表明:AlxGa1-xN薄膜的A1(LO)模式的聲子頻移隨Al組分的變化較為明顯，并且是單模行為;而A1(LO)模式的聲子頻移峰的展寬推測主要源于AlxGa1-xN薄膜材料中的長程有序。通過系統(tǒng)地研究AlxGa1-xN薄膜的光致發(fā)光行為，對由缺陷態(tài)發(fā)光引起的黃帶機制做了深入的探討。Al0.26Ga0.74N薄膜樣品的低溫光致發(fā)光譜測試結果表明:隨著溫度的降低，由自由載流子復合引起的317 nm的帶邊發(fā)射峰有“藍移”的

6、趨勢，并且溫度越低，發(fā)光強度越高，峰值的半高寬也明顯減小。
　　3.采用同步輻射技術研究了AlGaN材料的電子結構。通過分析Ga的K邊延長的X射線吸收精細結構光譜(EXAFS)探究了不同殼層原子鍵長與Al組分的依賴關系。研究結果表明:位于第一殼層的Ga-N鍵長與Al組分的變化無關，其值只與離Ga原子最近的N原子相關;然而第二殼層的Ga-Ga鍵長與Al組分的關系較大。計算結果發(fā)現(xiàn)Ga-Ga鍵長要大于Ga-Al鍵長，并且隨著AlxGa

7、1-xN薄膜樣品中Al組分的增加，Ga-Ga鍵長有減小的趨勢，分析這可能與Al原子的原子半徑較小有關。本論文還進一步地研究了AlxGa1-xN薄膜的表面化學態(tài)。通過測量Ga3d、Al2p、N1s的XPS能譜，以及對XPS能譜進行擬合，分析研究了AlxGa1-xN薄膜表面的氧化行為。結果顯示:AlxGa1-N薄膜樣品表面同時存在著氮化物與氧化物，并且隨著Al組分的增加，Al的氧化要強于Ga的氧化。研究還發(fā)現(xiàn)，Ga的俄歇躍遷與O-Ga鍵或者

8、Ga的其他化合物相關。
　　4.探究了AlInGaN四元材料的生長工藝，系統(tǒng)地研究了生長溫度對相分離現(xiàn)象的影響和富In區(qū)域形成的物理機制，優(yōu)化得到較為理想的生長溫度為890℃。光致發(fā)光譜測試結果表明隨著生長壓力的減小，缺陷雜質發(fā)光得到抑制，說明較低的生長壓力會改善AlInGaN薄膜的晶體質量，發(fā)現(xiàn)其中的“V”型缺陷的密度和尺寸都隨著壓力的降低而減小;高Al/In摩爾比會抑制AlInGaN薄膜中的相分離，可能是因為富In團簇的減少導

9、致了這一結果。通過Raman光譜測量驗證了AlInGaN四元薄膜中確實存在In的團簇，同時該結論也說明了“V”型缺陷的來源與In的并入有很大關系。AlInGaN四元薄膜的變溫光致發(fā)光譜揭示了AlInGaN發(fā)光峰峰值能量隨溫度的變化呈“S”形變化的關系，并對這一現(xiàn)象作了合理的解釋。
　　5.深入研究了AlGaN/GaN多量子阱的生長工藝條件，特別是異質結界面的H2吹掃時間對量子阱界面質量與光學性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，當生長AlGaN勢

10、壘層后的H2吹掃時間為4分鐘，生長GaN阱層后H2的吹掃時間為2分鐘時，可以獲得界面平滑、組分變化陡峻的量子阱界面。通過對量子阱界面質量的分析，進一步探討了量子阱中的缺陷形成機制。在此基礎上，并通過優(yōu)化生長工藝條件，最終制備得到了高質量、界面清晰的AlGaN/GaN多量子阱樣品。光致發(fā)光譜測試結果表明，由于存在內建電場，因量子限制斯塔克效應引起的能帶彎曲，導致了AlGaN/GaN多量子阱發(fā)光峰的“紅移”;而當量子阱寬降低時，量子限制效應

11、占主導地位，導致發(fā)光峰波長的“藍移”。
　　6.對半極性R面與非極性A面、M面藍寶石襯底上GaN與AlGaN的外延生長工藝進行了優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)生長成核層時采用高的Ⅴ/Ⅲ比有利于改善GaN外延薄膜的晶體質量，但所獲得的晶體為沿著c[0001]方向生長的極性材料。本研究也在非極性M面藍寶石襯底上進行了GaN材料的生長，獲得了晶體質量較好的具有[11(2)2]晶向的半極性樣品。本研究還在A面和M面藍寶石襯底上生長了AlGaN材料，并且進行了

12、Si摻雜。發(fā)現(xiàn)在A面襯底上生長的AlGaN經過Si摻雜后表面形貌和晶體質量都得到了改善，C的并入量有所減少，藍帶發(fā)光強度減弱。而在M面藍寶石襯底上生長的AlGaN經過Si摻雜以后，表面形貌和晶體質量卻有所下降，C的并入量增加，藍帶發(fā)光強度減弱。本研究所開展的半極性、非極性GaN和AlGaN材料的生長實驗，為制備高亮度非極性AlGaN基紫外LED打下了堅實的基礎。
　　7.采用APSYS光學器件模擬軟件分析計算了p-AlInGaN四

13、元材料以及p-AlInGaN/GaN超晶格結構作為GaN基LED電子阻擋層對LED芯片光電性能的影響。通過對量子阱中的極化電場以及極化場下能帶結構、載流子濃度分布、自發(fā)輻射復合速率的研究，發(fā)現(xiàn)采用與GaN晶格匹配的p-In0.18Al0.089Ga0.893N/GaN超晶格作為電子阻擋層，不僅可以減小由于極化電場引起的能帶彎曲效應，而且通過p-GaN層注入到有源區(qū)的空穴注入效率得到了很大的提高，同時漏電流也獲得明顯減小。并且在大電流注入