【摘要】：發(fā)光二極管(Light-emitting diode,LED)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長等特點,已被廣泛應(yīng)用于交通指示、建筑裝飾、顯示照明等諸多領(lǐng)域。目前,商用LED大多基于藍(lán)寶石襯底上外延生長的III族氮化物材料——GaN。然而,藍(lán)寶石熱導(dǎo)率較低、大尺寸襯底制備困難,限制了LED往“高性能、大功率、低成本”的方向發(fā)展。Si襯底由于具有低成本、大尺寸、熱導(dǎo)率高、制造工藝成熟等優(yōu)點,成為了實現(xiàn)高性能、大功率、低成本GaN基LED的理想襯底材料。盡管目前Si襯底上的LED制備技術(shù)已經(jīng)取得許多突破,在材料生長和基礎(chǔ)研究等方面仍然存在難以克服的問題。主要體現(xiàn)在以下兩個方面:第一,Si與GaN之間的晶格失配和熱失配分別高達(dá)16.9%和54%,導(dǎo)致在GaN中容易形成大量缺陷和裂紋;第二,Si襯底在外延生長過程中會與活性N反應(yīng)生成SiN_x界面層,嚴(yán)重降低了GaN基LED的外延材料質(zhì)量及器件性能。解決以上問題,是在Si襯底上實現(xiàn)高質(zhì)量Ga N的基礎(chǔ),也是實現(xiàn)高質(zhì)量LED外延材料及高性能器件的關(guān)鍵。為此,本論文提出采用低溫外延結(jié)合高溫外延的兩步法來克服上述兩大難題,全文圍繞Si襯底上高質(zhì)量GaN基LED外延材料的兩步法生長展開,對兩步法的外延生長機理、界面反應(yīng)抑制作用以及晶體缺陷控制機制等理論進行深入研究,取得的主要成果如下:第一,利用脈沖激光沉積(PLD)低溫外延,抑制了Si襯底與III族氮化物薄膜之間的界面反應(yīng),獲得了具有突變異質(zhì)結(jié)界面的AlN模板層。通過研究低溫AlN模板層的晶體質(zhì)量變化、表面形貌演變及界面結(jié)構(gòu)等性質(zhì),揭示了Si襯底上AlN模板層的低溫外延生長及界面反應(yīng)抑制機理。一方面,PLD的高能效應(yīng)使等離子體粒子具有較高的動能,以克服因晶格失配而形成的遷移勢壘,而PLD的脈沖效應(yīng)則為粒子提供了充足的弛豫時間,使其能在Si襯底上充分遷移到平衡位置形核,從而實現(xiàn)AlN模板層的低溫外延生長。另一方面,高能等離子體粒子在膨脹輸運過程中,與背景氣氛的氮氣粒子發(fā)生適當(dāng)碰撞,從而以合適的動能到達(dá)襯底表面,既不會因動能過大而轟擊表面或與Si襯底發(fā)生界面反應(yīng),也不會因動能不足而形成無定形的界面層,最終在Si襯底上實現(xiàn)AlN的低溫外延,獲得具有突變異質(zhì)結(jié)界面的AlN模板層。第二,以低溫AlN模板層作為高溫外延的生長模板,通過研究不同生長階段的外延形貌變化及缺陷演變過程,揭示了兩步法外延生長GaN的生長機理及位錯湮滅機制。研究發(fā)現(xiàn),表面平整的低溫AlN模板層能夠提高AlN外延表面的浸潤性,降低Al吸附原子的表面遷移勢壘,增強Al吸附原子的表面遷移,促進AlN緩沖層的二維生長,從而獲得表面高度愈合的高質(zhì)量AlN緩沖層。GaN在AlN緩沖層上的遷移勢壘低,所形成的低密度形核島有利于減少晶體中的位錯;同時,在三維生長向二維生長轉(zhuǎn)變的過程中,晶體中的穿透位錯發(fā)生彎曲、閉合,從而降低了GaN外延薄膜中的位錯密度。為進一步提高GaN的晶體質(zhì)量,本論文還引入了漸變Al_xGa_(1-x)N緩沖層結(jié)構(gòu),并對其缺陷控制機制和應(yīng)力調(diào)控機理進行研究。一方面,Al_x Ga_(1-x)N的引入可使位錯在每層界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn),與相鄰的位錯形成閉環(huán)而湮滅;另一方面,AlN/Al_xGa_(1-x)-x N結(jié)構(gòu)能夠增強GaN中的壓應(yīng)力,在最大程度上抵消降溫過程中由Si襯底產(chǎn)生的張應(yīng)力,從而抑制裂紋的產(chǎn)生。最終,在Si襯底上獲得無裂紋的高質(zhì)量GaN薄膜,GaN(0002)和GaN(10-12)搖擺曲線半峰寬分別為394 arcsec和460 arcsec。第三,首次采用低溫外延結(jié)合高溫外延的兩步法在Si襯底上實現(xiàn)了高質(zhì)量GaN基LED外延材料的生長,并對LED的光電性能提升機制進行了研究。研究低溫AlN模板層厚度對LED性能的影響,發(fā)現(xiàn)40-70 nm厚的低溫AlN模板層最有利于高溫外延層的二維生長及應(yīng)力調(diào)控,從而獲得無裂紋的高質(zhì)量LED外延片。制備成橫向結(jié)構(gòu)LED芯片后,在40 nm厚的低溫Al N模板層上獲得的LED表現(xiàn)出最佳的光電性能。在注入電流為300 mA下,光輸出功率為70.2 mW,外量子效率的Droop效應(yīng)為46.2%。在低注入電流下,隨著電流增大,EL波長藍(lán)移幅度最小,說明LED中的量子束縛斯塔克效應(yīng)被有效地削弱。與采用一步法制備得的、具有相同芯片結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有報道相比,同一電流下,本文獲得的LED光輸出功率高于其他報道,說明本論文所提出的低溫外延結(jié)合高溫外延兩步法有利于在Si襯底上獲得高性能的GaN基LED。本論文的研究按照“低溫模板層”→“高質(zhì)量GaN層”→“LED外延材料與芯片”的路線系統(tǒng)展開。通過深入研究不同生長階段的外延層性質(zhì),揭示了在Si襯底上兩步法外延GaN的生長機理、界面反應(yīng)抑制和缺陷湮滅等機制,這對于在其他新型襯底上實現(xiàn)高質(zhì)量III族氮化物材料及高性能GaN基器件提供了重要指導(dǎo)。
【圖文】：

經(jīng)過近年來的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，Si 襯底上的 LED 技術(shù)已經(jīng)獲得許多重要突破，但是在 襯底上生長高質(zhì)量的 GaN 基 LED 外延材料仍面臨著許多挑戰(zhàn)。1.2 GaN 基 LED1.2.1 GaN 的晶體結(jié)構(gòu)及基本性質(zhì)GaN 的晶體結(jié)構(gòu)包括三種類型：纖鋅礦結(jié)構(gòu)（Wurzite）、閃鋅礦結(jié)構(gòu)（Zinc-blende以及 NaCl 結(jié)構(gòu)[1, 2]。纖鋅礦結(jié)構(gòu) GaN 屬于六方晶系，具有六次旋轉(zhuǎn)對稱性，，所屬空群為 P63mc（no.186），晶格常數(shù)為 a=0.3189nm，c=0.5185nm。其晶格是由兩組六方堆積的結(jié)構(gòu)沿著 c 軸[0001]方向平移 5c/8 的距離嵌套而成，每個晶胞中含有 6 個 Ga 子及 6 個 N 原子。圖 1-1(a)、圖 1-1(b)、圖 1-1(c)分別為沿[0001]、[11-20]、[10-10]向觀察得的晶格�？梢�，纖鋅礦結(jié)構(gòu) GaN 晶格中的密排面為（0001）面，Ga 和 N 雙子對以 ABABAB 的順序堆垛，即...GaANAGaBNBGaANAGaBNB…。這種結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定GaN 晶體結(jié)構(gòu)。

圖 1-2 GaN 基 LED 的基本結(jié)構(gòu)示意圖chematic diagram of the basic structure of G底選擇ED 材料的外延襯底時，需要考慮以下幾點系數(shù)匹配、穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、成本低。石襯底上制備而得，這主要是因為藍(lán)寶石(0002)可作為外延面[2]，并且其熱穩(wěn)定性好定。然而，藍(lán)寶石與 GaN 之間的晶格失配度約為 27%）[11]、熱導(dǎo)率低（0.25W/(cm·K性能、大功率、低成本”的方向發(fā)展。個有效途徑，就是采用不同于藍(lán)寶石的新金屬襯底等。與傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底相比，這
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN312.8

【參考文獻(xiàn)】

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1 林云昊;Si襯底GaN基LED外延材料的生長與芯片制備[D];華南理工大學(xué);2017年

2 王文j;Al襯底上PLD外延組分可控AlGaN[D];華南理工大學(xué);2016年

3 楊慧;脈沖激光沉積法外延生長大面積AlN單晶薄膜及其生長機理研究[D];華南理工大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 趙廣才;圖形襯底上GaN材料的外延生長研究[D];西安電子科技大學(xué);2010年

本文編號：2596123