【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(zhǎng)等特點(diǎn),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(zhǎng)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(diǎn),成為了實(shí)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(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)過程中會(huì)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量Ga N的基礎(chǔ),也是實(shí)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(zhǎng)展開,對(duì)兩步法的外延生長(zhǎng)機(jī)理、界面反應(yīng)抑制作用以及晶體缺陷控制機(jī)制等理論進(jìn)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(zhǎng)及界面反應(yīng)抑制機(jī)理。一方面,PLD的高能效應(yīng)使等離子體粒子具有較高的動(dòng)能,以克服因晶格失配而形成的遷移勢(shì)壘,而PLD的脈沖效應(yīng)則為粒子提供了充足的弛豫時(shí)間,使其能在Si襯底上充分遷移到平衡位置形核,從而實(shí)現(xiàn)AlN模板層的低溫外延生長(zhǎng)。另一方面,高能等離子體粒子在膨脹輸運(yùn)過程中,與背景氣氛的氮?dú)饬Ｗ影l(fā)生適當(dāng)碰撞,從而以合適的動(dòng)能到達(dá)襯底表面,既不會(huì)因動(dòng)能過大而轟擊表面或與Si襯底發(fā)生界面反應(yīng),也不會(huì)因動(dòng)能不足而形成無定形的界面層,最終在Si襯底上實(shí)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(zhǎng)模板,通過研究不同生長(zhǎng)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(zhǎng)GaN的生長(zhǎng)機(jī)理及位錯(cuò)湮滅機(jī)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(rùn)性,降低Al吸附原子的表面遷移勢(shì)壘,增強(qiáng)Al吸附原子的表面遷移,促進(jìn)AlN緩沖層的二維生長(zhǎng),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(shì)壘低,所形成的低密度形核島有利于減少晶體中的位錯(cuò);同時(shí),在三維生長(zhǎng)向二維生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的過程中,晶體中的穿透位錯(cuò)發(fā)生彎曲、閉合,從而降低了GaN外延薄膜中的位錯(cuò)密度。為進(jìn)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(duì)其缺陷控制機(jī)制和應(yīng)力調(diào)控機(jī)理進(jìn)行研究。一方面,Al_x Ga_(1-x)N的引入可使位錯(cuò)在每層界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn),與相鄰的位錯(cuò)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量GaN基LED外延材料的生長(zhǎng),并對(duì)LED的光電性能提升機(jī)制進(jìn)行了研究。研究低溫AlN模板層厚度對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(bào)道相比,同一電流下,本文獲得的LED光輸出功率高于其他報(bào)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(zhǎng)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(zhǎng)機(jī)理、界面反應(yīng)抑制和缺陷湮滅等機(jī)制,這對(duì)于在其他新型襯底上實(shí)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(zhǎng)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(duì)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(gè)晶胞中含有 6 個(gè) Ga 子及 6 個(gè) 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(duì)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(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)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?yàn)樗{(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(gè)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN312.8

【參考文獻(xiàn)】

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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(zhǎng)大面積AlN單晶薄膜及其生長(zhǎng)機(jī)理研究[D];華南理工大學(xué);2013年

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

本文編號(hào)：2596123