【摘要】：基于AlGaN材料制備的深紫外發(fā)光二極管(DUV-LED)具有高能效、無污染等特點(diǎn)成為傳統(tǒng)汞燈的理想替代者之一。本論文采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)在半極性r面藍(lán)寶石襯底上外延生長了高質(zhì)量非極性a面AlGaN材料,并成功制備出發(fā)光波長為280 nm的非極性AlGaN基多量子阱(MQWs),為制備高光效的非極性AlGaN基DUV-LED奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1、通過采用兩路脈沖生長技術(shù),有效抑制了AlGaN材料在外延生長時(shí)三甲基鋁(TMAl)與氨氣(NH_3)之間強(qiáng)烈的氣相預(yù)反應(yīng),顯著提高了非極性AlGaN外延層的表面形貌與相對光透過率。相較于傳統(tǒng)連續(xù)生長法,使用兩路脈沖生長法生長的非極性Al_(0.68)Ga_(0.32)N外延層的表面粗糙度均方根(RMS)值從15.08 nm降低至1.79 nm。研究還發(fā)現(xiàn),基于該兩路脈沖生長技術(shù)但經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)后的TMAl占空比調(diào)制生長法,可以更有效地調(diào)控非極性AlGaN外延層的Al組分。2、使用改進(jìn)的原位插入層生長方法,可以在免掩膜工藝的前提下進(jìn)行AlGaN基材料的側(cè)向外延生長。該方法不僅可以有效釋放外延層中的應(yīng)變,從而顯著提高非極性AlGaN基材料的晶體質(zhì)量,抑制晶體質(zhì)量的各向異性,而且,也能使非極性AlGaN基材料表面典型的倒金字塔形缺陷密度獲得明顯降低。3、對雙重氮化生長方法進(jìn)行了深入的研究,即分別對藍(lán)寶石襯底和低溫(LT)AlN成核層的氮化參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn),對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行合適的氮化,可以形成具有一定密度和高度的AlN晶核,該AlN晶核對后續(xù)的外延生長起到了關(guān)鍵性的作用。通過仔細(xì)優(yōu)化關(guān)于藍(lán)寶石襯底與LT-AlN的氮化參數(shù),成功將非極性Al_(0.53)Ga_(0.46)N外延層的RMS值降低至1.54 nm,完全達(dá)到外延生長多量子阱結(jié)構(gòu)的要求。4、基于研發(fā)的TMAl占空比調(diào)制生長技術(shù)與優(yōu)化后的雙重氮化參數(shù),成功在r面藍(lán)寶石襯底上生長獲得高內(nèi)量子效率(IQE)的非極性深紫外AlGaN基MQWs,并測得在發(fā)光波長為279.2 nm時(shí)的IQE高達(dá)39%。同時(shí),通過測量變功率光致發(fā)光光譜可以發(fā)現(xiàn),即使在激發(fā)功率從6.8×10~3 W/cm~2大幅增加至2.1×10~5 W/cm~2時(shí),本研究制備的非極性AlGaN基MQWs的發(fā)光峰并未出現(xiàn)任何藍(lán)移,證明本研究生長的非極性AlGaN基MQWs完全消除了量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)。
【圖文】：

空氣的凈化方面，通過采用特定波長的紫外光照射（波長在 260-280 nm 的深紫外光效果最好[7]），可破壞生物體重要的蛋白質(zhì)、DNA 等有機(jī)分子，，從而達(dá)到迅速殺死各類細(xì)菌、病毒等微生物的效果。而目前在該領(lǐng)域可以商用的只有壽命短、光效低且有劇毒的汞燈紫外光源。另一方面，在太陽光到達(dá)地球大氣層時(shí)，由于臭氧層對 200-280nm 范圍的紫外波段具有強(qiáng)烈的吸收作用，造成這一波段范圍內(nèi)的紫外光在近地面空間中幾乎不存在，相當(dāng)于一個(gè)天然 暗室 ，所以在該波段幾乎是零自然干擾，故被稱為 日盲區(qū) 。因此該波段的光源、探測器在導(dǎo)彈制導(dǎo)、預(yù)警和地空紫外通信等諸多領(lǐng)域具有巨大的軍事應(yīng)用價(jià)值。而 III 族氮化物材料，即 AlN、GaN、InN 及其合金 AlGaN、InGaN 等的禁帶寬度通過改變合金中金屬元素的占比組分而連續(xù)可調(diào)，理論上可以最小從1.97eV（InN的禁帶寬度）連續(xù)增加到最大 6.23 eV（AlN 的禁帶寬度）。如果使用 GaN 基 III 族氮化物材料制備 LED，其發(fā)光波長范圍可以覆蓋遠(yuǎn)紅外到深紫外。而若是制備 AlGaN 基光電探測器等器件，則探測范圍可覆蓋日盲區(qū)。

EQE已經(jīng)降低至0.01%[16]。由此可見，隨著 DUV-LED 的發(fā)光波的不斷降低，其 EQE 也會隨之急劇下降[17]。下圖1.2 所示為當(dāng)前國際上報(bào)道的 UV-LED 的 EQE 隨發(fā)光波長的變化趨勢圖。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN312.8

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