本文關(guān)鍵詞： 碳化硅 三族氮化物 紫外發(fā)光二極管　出處：《大連理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：(Al)GaN基材料為直接寬帶隙半導(dǎo)體,帶隙在3.4eV(GaN)到6.2eV(AlN)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),具有良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性,是制備高效紫外LED的理想材料。(Al)GaN基紫外LED具有零污染、光譜窄、能耗低、壽命長、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),在白光照明、紫外固化、醫(yī)療診斷、消菌殺毒等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于(Al)GaN材料缺乏同質(zhì)單晶襯底,通常采用異質(zhì)外延方法制備,其中SiC襯底與A1N的晶格失配僅為1%,且具有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性,是制備(Al)GaN外延材料的理想襯底之一。但是,SiC襯底對紫外光具有很強(qiáng)的吸收作用,加之較大的熱失配會(huì)在器件結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生大量裂紋,這也是限制其在紫外LED器件方面發(fā)展的重要因素。本論文圍繞在SiC襯底上制備紫外LED存在的難點(diǎn)問題展開工作,從氮化物材料生長和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面深入系統(tǒng)地進(jìn)行了研究,主要研究內(nèi)容如下：(1)研究了噴淋頭與襯底之間的距離(簡稱噴淋頭高度)對GaN外延膜的生長速率、晶體質(zhì)量及應(yīng)力狀態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)噴淋頭高度由7mm升高至13mmm時(shí),生長速率由3.6μm/h降低至1.8μm/h。通過對GaN反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析,我們認(rèn)為,調(diào)節(jié)噴淋頭高度可直接導(dǎo)致反應(yīng)室內(nèi)的溫度梯度發(fā)生改變,熱泳力也隨之改變,改變后的熱泳力會(huì)使氣相中的GaN納米顆粒趨向于聚集在反應(yīng)室內(nèi)溫度較高的區(qū)域,其吸附和消耗Ga源的能力變強(qiáng),導(dǎo)致生長速率急劇下降。生長速率降低的同時(shí),GaN生長初期形成島的尺寸變小,小島合并后GaN外延膜所承受的張應(yīng)力增加,晶體質(zhì)量有所提升。(2)研究了Ⅴ/Ⅲ比對AlGaN外延膜的影響,通過控制合適的Ⅴ/Ⅲ比,可以有效抑制氣相寄生反應(yīng),適當(dāng)提高生長速率、提升Al的并入效率及晶體質(zhì)量。并在此基礎(chǔ)上,通過引入SiNx插入層,成功制備出無裂紋、晶體質(zhì)量較好、厚度為1.8μmm的Al0.5Ga0.5N外延膜,并對其外延機(jī)理進(jìn)行了深入的分析。(3)運(yùn)用SiNx插入層調(diào)控分布式布拉格反射鏡(DBR)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),在SiC襯底上制備出30個(gè)周期無裂紋高反射的Al0.2Ga0.8N/GaN DBRs結(jié)構(gòu)。通過HR-XRD和FE-SEM測試分析發(fā)現(xiàn),DBR結(jié)構(gòu)具有陡峭的界面和良好的晶體質(zhì)量,其反射光譜中心波長位于388nm,反射率高達(dá)92.8%,截止帶寬為16nm。并在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上外延了近紫外LED結(jié)構(gòu),利用DBR結(jié)構(gòu)的高反射特性,有效減緩了SiC襯底對紫外光的吸收作用,將近紫外LED的光輸出功率提高了56%。(4)在無裂紋Al0.5Ga0.5N外延膜上制備了兩種結(jié)構(gòu)的深紫外LED,這兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于p區(qū)接觸層所采用的材料不同,但均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中運(yùn)用p-GaN作為接觸層,可以有效降低器件的接觸電阻,但會(huì)造成雙面吸光效應(yīng)。利用p-AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)作為接觸層,雖然可以有效降低對紫外光的吸收作用,但其接觸電阻會(huì)增大。(5)采用極性調(diào)控技術(shù)制備出了高質(zhì)量A1N外延膜。通過在GaN外延模板和A1N外延層之間引入漸變AlGaN插入層(極性調(diào)控層),有效抑制了下層GaN模板的分解,同時(shí)控制了A1N外延膜的單一Al極性生長。這樣在1050℃條件下,獲得了表面平整,晶體質(zhì)量優(yōu)良的AlN外延膜。通過分析發(fā)現(xiàn),目前普遍采用高溫(1300℃)生長的方法獲得晶體質(zhì)量較高的A1N外延膜,其重要原因之一是高溫更趨向于使薄膜單一Al極性生長。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用該AlN層作為應(yīng)力調(diào)控層,在GaN外延模板上制備出無裂紋的Al0.5Ga0.5N外延膜。(6)運(yùn)用極化誘導(dǎo)理論,制備出p-GaN/Mg-doped Al0.3Ga0.7N/n+-GaN/n-SiC異質(zhì)結(jié)構(gòu),獲得垂直導(dǎo)電的反向極化誘導(dǎo)隧穿結(jié)器件,該器件在反偏-1V時(shí)電流密度為4.2A/cm-2。創(chuàng)新性地運(yùn)用AlN應(yīng)力調(diào)控層將極化誘導(dǎo)隧穿結(jié)與深紫外LED器件結(jié)構(gòu)相結(jié)合,制備出結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)的深紫外LED,即p型區(qū)域位于量子阱結(jié)構(gòu)下側(cè),紫外光可從器件上表面的n型區(qū)域進(jìn)行發(fā)射,有效解決了雙面吸光問題。同時(shí)運(yùn)用n-SiC襯底的導(dǎo)電特性,成功研制出垂直結(jié)構(gòu)的深紫外LED。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN312.8

【參考文獻(xiàn)】

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1 張克雄;三族氮化物極化工程在光電器件和隧穿器件的應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2014年

2 王東盛;Ⅲ族氮化物紫光和近紫外LED的制備與研究[D];大連理工大學(xué);2014年

3 周小偉;高Al組份AlGaN/GaN半導(dǎo)體材料的生長方法研究[D];西安電子科技大學(xué);2010年

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本文編號：1538122