發(fā)布時間：2020-04-24 22:28

【摘要】：本文以應用于紫外發(fā)光器件的高質(zhì)量AlGaN材料為目標,開展了基于不同襯底上p型GaN、高Al組分AlGaN薄膜及納米柱結(jié)構(gòu)的分子束外延生長,并對其表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)及光學性能等進行了系統(tǒng)而深入的研究。本論文主要研究成果如下:1.優(yōu)化MBE生長條件,制備了高質(zhì)量的GaN薄膜。利用原位監(jiān)測系統(tǒng)分析了不同條件下GaN的生長模式,通過比較不同溫度和Ⅲ/Ⅴ比對GaN表面形貌的影響,在生長溫度為710℃及Ga束流為6.0×10-8 Torr的條件下獲得了位錯密度為5×108 cm-2的GaN薄膜材料。2.研究了GaN材料中Mg原子的并入行為,獲得空穴濃度為2.8×1018 cm-3的p型GaN材料。在一定范圍內(nèi),提高生長溫度有利于Mg的有效摻入,但是溫度過高會導致氮空位增多而降低空穴濃度。充足的Ga原子可以提高晶體質(zhì)量及空穴濃度,但過多的Ga對Mg的并入有一定的抑制作用。3.在GaN模板上制備了Al組分為26%的AlGaN薄膜。通過改變Al束流可以有效地調(diào)控AlGaN材料的Al組分;在富金屬條件下,提高溫度和增大Ga束流能夠獲得更光滑的表面、更強的發(fā)光強度和更長的少子壽命。AlGaN材料的超快光學特性研究證明存在兩種激活能不同的非輻射復合中心,并且較深能級的非輻射復合中心是制約材料少子壽命及發(fā)光效率的關鍵因素。4.基于AlN模板實現(xiàn)了Al組分高于40%的AlGaN薄膜的生長及p型摻雜。研究表明,大的Al束流和高的生長溫度有利于提高Al組分,并改善表面形貌和結(jié)晶質(zhì)量,AlGaN材料的室溫PL發(fā)光波長為263 nm。研究了AlGaN材料的p型摻雜,適當降低生長溫度和提高源爐溫度更利于Mg原子的并入,獲得了p型AlGaN材料,但是Mg的激活率非常低。5.基于AlN模板制備了AlGaN/AlN多量子阱結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了室溫深紫外發(fā)光。AlGaN/AlN多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長及強度取決于勢阱層的厚度及異質(zhì)界面質(zhì)量,而生長溫度是影響異質(zhì)界面質(zhì)量的關鍵因素。10個周期AlGaN(2.4 nm)/AlN(6.9 nm)多量子阱結(jié)構(gòu)在室溫下獲得了260 nm的深紫外發(fā)光。6.基于Si(111)襯底實現(xiàn)了GaN基納米柱結(jié)構(gòu)的MBE自組織生長。探究了AlN緩沖層對高質(zhì)量GaN基納米柱生長的重要作用。在GaN納米柱基礎上,制備了 AlGaN及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米材料,并成功提取出單根納米柱。微觀結(jié)構(gòu)測試顯示AlGaN基納米柱為纖鋅礦結(jié)構(gòu),軸向生長方向為[0001],并分析了納米柱的核殼結(jié)構(gòu)的形成機理。單層AlGaN及AlGaN/AlN多量子阱納米柱在室溫下分別實現(xiàn)了305 nm和290 nm的紫外發(fā)光。以聚苯乙烯膠質(zhì)小球為納米結(jié)構(gòu)掩膜版制作了兩種不同的圖形化襯底,并在Si納米柱陣列圖形化襯底上初步實現(xiàn)了GaN基納米柱的選擇性生長。
【圖文】：

括我國在內(nèi)的１２８個國家或地區(qū)正式生效�；谛阅軆�(yōu)勢和政策引導，紫外光逡逑ＬＥＤ正成為紫外光源領域備受關注的技術，，有著巨大的市場潛力，尤其是在紫逡逑外固化和殺菌方面（圖１．２）。法國ＹｏｌｅＤＳｖｅｌｏｐｐｅｍｅｎｔ公司指出全球ＵＶ－ＬＥＤ市逡逑場規(guī)模從２０１２年的４５００萬美元增長至２０１７年的２．７億美元，占據(jù)全球紫外光逡逑源市場的３４．７％，平均年增長率４３％的速度增長。他們預測［１５］，ＵＶ－ＬＥＤ的市場逡逑規(guī)模仍會以４１％的增長率從２０１８美元的２．４２億美元到２０２３美元的１３．３９億美元。逡逑２逡逑

ＨＩ族氮化物材料主要包括ＧａＮ、ＡＩＮ、ＩｎＮ以及它們相互組成的多元合金材逡逑料（ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ及ＡｌＩｎＧａＮ），其晶體結(jié)構(gòu)有三種類型：纖鋅礦結(jié)構(gòu)逡逑（六方相）、閃鋅礦結(jié)構(gòu)（立方相）和巖鹽礦結(jié)構(gòu)［１６］邋（ＮａＣｌ），如圖１．３所示。逡逑４逡逑？＃rP幔

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