【摘要】：沿c軸生長的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Ga N,依據(jù)其原子堆疊順序的不同,存在鎵極性和氮極性兩種極化方向相反的狀態(tài)。目前關(guān)于鎵極性Ga N的研究已經(jīng)比較全面,特別是在發(fā)光器件的研究中取得了很高的發(fā)光效率,從而成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。由氮極性Ga N制備的發(fā)光器件在理論上擁有比鎵極性器件更高的內(nèi)量子效率和載流子注入效率,因而被認(rèn)為具有很大的潛力。但是目前,針對氮極性Ga N薄膜生長的研究還處在比較初步的階段,依然存在著外延薄膜表面粗糙、位錯(cuò)密度高和背景電子濃度難以控制等很多的問題。這些問題限制了氮極性Ga N基發(fā)光器件的進(jìn)一步發(fā)展。本論文針對以上問題開展了一系列的研究工作,并以此為基礎(chǔ)制備了氮極性的藍(lán)紫光LED,進(jìn)而對其性能進(jìn)行了研究。本文的具體研究內(nèi)容如下:(1)采用MOCVD方法,在藍(lán)寶石襯底上制備了表面光滑的氮極性Ga N薄膜,并通過在薄膜中原位插入Si Nx掩膜層提高了其晶體質(zhì)量。詳細(xì)研究了Si Nx掩膜層的沉積時(shí)間和插入位置對薄膜位錯(cuò)密度和殘余應(yīng)力的影響。在最優(yōu)條件下,插入Si Nx掩膜層使氮極性Ga N薄膜刃位錯(cuò)密度降低了20倍,面內(nèi)張應(yīng)力降低了3.7倍。對樣品的電學(xué)和發(fā)光特性研究表明,插入Si Nx掩膜層還能有效的降低氮極性Ga N薄膜中的非故意摻雜濃度,同時(shí)也能提高薄膜的光學(xué)質(zhì)量。(2)通過delta摻雜的方法成功實(shí)現(xiàn)了氮極性Ga N電子濃度可控的n型摻雜。首先,采用均勻摻Si的方法制備了n型氮極性Ga N薄膜。通過對樣品表面及電子濃度的表征發(fā)現(xiàn),均勻摻Si的n型氮極性Ga N薄膜表面存在V型坑,且電子濃度并不受Si摻入量的控制。其次,采用delta摻雜的方法實(shí)現(xiàn)氮極性Ga N薄膜的n型摻雜。該方法成功抑制了薄膜表面的V型缺陷,而且還可以通過改變生長條件實(shí)現(xiàn)對電子濃度的控制。另外,通過對均勻摻雜及delta摻雜制備的n型氮極性Ga N薄膜的比較發(fā)現(xiàn),均勻摻雜方法Si的并入效率更高,delta摻雜的薄膜光學(xué)質(zhì)量更好。(3)通過極化誘導(dǎo)摻雜的方法成功實(shí)現(xiàn)了氮極性Al Ga N高空穴濃度的p型摻雜。詳述了利用極化誘導(dǎo)摻雜方法實(shí)現(xiàn)空穴導(dǎo)電的原理,分析了氮極性Al Ga N薄膜在實(shí)現(xiàn)極化誘導(dǎo)摻雜上的優(yōu)勢,推導(dǎo)了計(jì)算薄膜內(nèi)空穴濃度理論值的公式。利用MOCVD方法制備了摻Mg的Al組分線性分布的氮極性Al Ga N薄膜,并在不同的溫度下對其電學(xué)特性進(jìn)行表征。通過分析其空穴濃度隨溫度變化的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)薄膜內(nèi)同時(shí)存在兩種空穴電離機(jī)制,熱激活和極化電場電離。通過在氮極性Ga N模板中插入Si Nx掩膜層及優(yōu)化生長Al Ga N薄膜過程中Mg流量的方法進(jìn)一步提高了極化誘導(dǎo)p型Al Ga N薄膜的空穴濃度,可達(dá)到9.0×1017cm-3。(4)基于以上薄膜優(yōu)化及摻雜的條件,制備了氮極性藍(lán)紫光LED,并通過對其性能的表征證明了氮極性LED在大電流驅(qū)動(dòng)下的優(yōu)勢。首先,通過調(diào)整多量子阱的結(jié)構(gòu)及生長條件抑制了氮極性量子阱表面出現(xiàn)的六方小丘,并驗(yàn)證了六方小丘源于低溫Ga N壘層。其次,利用之前優(yōu)化獲得的各層薄膜的生長條件,制備了水平結(jié)構(gòu)的氮極性藍(lán)紫光LED。分析了其開啟電壓和在抑制Droop效應(yīng)方面相對于鎵極性器件的優(yōu)勢。最后,通過在LED中加入極化誘導(dǎo)隧道結(jié)改善了器件的電流擴(kuò)展,從而提高了LED的發(fā)光強(qiáng)度。在40m A電流驅(qū)動(dòng)下,其EQE增加了68%。
【圖文】：

但是目前氮極性 GaN 材料的生長條件還不成熟，在實(shí)際生長過程中依然存在很多問題。相比于鎵極性 GaN，氮極性的 GaN 往往擁有更粗糙的表面，更高的位錯(cuò)密度及非故意摻雜濃度[9-11]。這些問題的存在限制了其在發(fā)光器件中的性能[12]。因此，進(jìn)一步研究優(yōu)化氮極性 GaN 的生長條件，制備出高質(zhì)量的氮極性GaN 薄膜及發(fā)光器件，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證氮極性 GaN 基 LED 的優(yōu)點(diǎn)對于進(jìn)一步提高GaN 基 LED 的發(fā)光效率具有十分重要的意義。1.2 GaN 的基本性質(zhì)1.2.1 GaN 的晶體結(jié)構(gòu)GaN 晶體存在六方纖鋅礦(Wurtzite)、立方閃鋅礦(Zinc-blende)和巖鹽（Rock-salt）三種不同的晶體排列結(jié)構(gòu)，如圖 1.1 所示。

第 1 章 緒論。由 GaN 的參數(shù)可得1331 3333 Ce eC小于零，當(dāng)薄膜收到），PEP 數(shù)值為負(fù)值，即其方向和自發(fā)極化方向相同。當(dāng)薄0 a ），PEP 數(shù)值為負(fù)值，即其方向和自發(fā)極化方向相反。aN 晶體中自發(fā)極化是有方向的，因此當(dāng)薄膜沿平行于 的原子堆疊順序就會(huì)產(chǎn)生兩種自發(fā)極化方向相反的材料 薄膜中的自發(fā)極化方向指向襯底，，即平行與 c 軸方向的原子接近襯底時(shí)，定義為鎵極性。而方向相反的另一種堆極性。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN304.055

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本文編號：2692013