本文關(guān)鍵詞：SiC襯底上高質(zhì)量GaN薄膜的外延生長(zhǎng)及其發(fā)光器件制備研究　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：以GaN和SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料因具有優(yōu)越的光電特性而被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管(LEDs)、短波長(zhǎng)激光器(LDs)、紫外探測(cè)器以及微波器件等領(lǐng)域。由于大尺寸GaN襯底的缺乏,目前商業(yè)化的GaN基光電器件主要生長(zhǎng)在Al_2O_3襯底和Si襯底上。其中,GaN與Al_2O_3和Si的晶格失配分別為16%和20%,較大的晶格失配會(huì)使GaN薄膜內(nèi)的穿透位錯(cuò)密度達(dá)到109 cm-2量級(jí),同時(shí)位錯(cuò)會(huì)延伸至InGaN/Ga N量子阱中,從而導(dǎo)致器件發(fā)光效率的降低。SiC與GaN之間的晶格失配僅為3.4%,并且SiC具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能,是制備GaN基光電器件的理想襯底。本論文中,我們利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù),在SiC襯底上開(kāi)展了高質(zhì)量GaN薄膜的可控生長(zhǎng)以及發(fā)光器件的相關(guān)研究工作。具體研究?jī)?nèi)容如下:1.鑒于AlN與SiC和GaN之間的晶格失配分別為1%和2.4%,因此我們選取AlN作為緩沖層材料,著重研究了AlN緩沖層厚度、生長(zhǎng)溫度以及V/III比對(duì)一定厚度(1.5μm)的GaN薄膜結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌、光學(xué)特性及應(yīng)力特性的影響。其中當(dāng)AlN緩沖層厚度為100 nm、生長(zhǎng)溫度為1080oC以及V/III比為650時(shí),GaN薄膜性能最優(yōu)。2.由于GaN與SiC之間存在33.1%熱失配,導(dǎo)致外延生長(zhǎng)后的降溫過(guò)程中薄膜內(nèi)會(huì)引入較大的張應(yīng)力,同時(shí)膜內(nèi)的張應(yīng)力隨著外延層厚度的增加而逐漸增大,最終以裂紋的形式釋放,從而影響GaN材料及其器件的性能。為了降低GaN薄膜內(nèi)的張應(yīng)力,我們采用在AlN和GaN之間插入漸變Al_xGa_1-xN(x=1-0)緩沖層的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。著重研究了漸變AlGaN緩沖層生長(zhǎng)溫度、厚度以及生長(zhǎng)速率對(duì)1.5μm厚GaN薄膜結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌、光學(xué)特性及應(yīng)力特性的影響。當(dāng)AlGaN緩沖層生長(zhǎng)溫度為1100oC、厚度為80 nm以及生長(zhǎng)速率為0.09μm/h時(shí),GaN薄膜性能最優(yōu)。此外,通過(guò)EpiCurve原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到晶片的曲率曲線中發(fā)現(xiàn),漸變AlGaN緩沖層生長(zhǎng)過(guò)程中引入了壓應(yīng)力,從而有效降低了GaN薄膜內(nèi)的張應(yīng)力。3.SiNx作為多孔狀的納米掩膜,不僅可以阻擋位錯(cuò),而且可以改善GaN薄膜內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。我們著重探討了SiNx插入層的生長(zhǎng)時(shí)間和插入位置對(duì)4.5μm厚GaN薄膜生長(zhǎng)模式、結(jié)晶質(zhì)量、腐蝕特性、表面形貌和應(yīng)力特性的影響。其中當(dāng)SiNx插入層生長(zhǎng)時(shí)間為180 s,沉積位置為0.2μm時(shí),GaN薄膜特性最優(yōu)。通過(guò)優(yōu)化,我們獲得了最優(yōu)的SiNx生長(zhǎng)條件。在此基礎(chǔ)上,我們分別對(duì)AlN緩沖層系列實(shí)驗(yàn)以及漸變AlxGa1-xN緩沖層系列實(shí)驗(yàn)中制備的1.5μm厚GaN薄膜做進(jìn)一步生長(zhǎng)優(yōu)化,結(jié)果顯示其薄膜質(zhì)量有了明顯提升,為GaN基水平結(jié)構(gòu)發(fā)光器件的制備打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4.水平結(jié)構(gòu)器件存在電流擁堵效應(yīng),長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致其性能的下降,而SiC襯底擁有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性,非常適合制備垂直結(jié)構(gòu)器件。相比于水平結(jié)構(gòu),垂直結(jié)構(gòu)器件具有電流分布均勻、發(fā)熱量少、工藝簡(jiǎn)單以及有源區(qū)面積大等優(yōu)點(diǎn)。為了獲得高性能的GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光器件,我們?cè)赟iC襯底上利用n-AlGaN導(dǎo)電緩沖層和SiNx插入層技術(shù)開(kāi)展了高質(zhì)量n-GaN薄膜的外延生長(zhǎng)工作。著重考察了SiNx插入層生長(zhǎng)條件對(duì)n-GaN薄膜生長(zhǎng)模式、結(jié)晶質(zhì)量、腐蝕特性、表面形貌、電學(xué)特性以及應(yīng)力特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),增加SiNx插入層生長(zhǎng)時(shí)間并降低其沉積位置有利于n-GaN薄膜特性的提升。5.我們以高質(zhì)量GaN薄膜為模板開(kāi)展了GaN基綠光LEDs的制備工作,設(shè)計(jì)器件發(fā)光波長(zhǎng)約為525 nm:(1)制備了GaN基水平結(jié)構(gòu)綠光LEDs。著重介紹了器件的制備流程、結(jié)構(gòu)特性以及光電特性;(2)制備了GaN基垂直結(jié)構(gòu)綠光LEDs。為了獲得表面平整且無(wú)裂紋的器件,我們采用生長(zhǎng)過(guò)程中預(yù)置壓應(yīng)力的方法來(lái)抵消薄膜降溫過(guò)程中所產(chǎn)生的張應(yīng)力,從而防止器件表面裂紋的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)中我們選取的應(yīng)力緩解層有n-InGaN/n-GaN超晶格結(jié)構(gòu)、n-InGaN以及n-AlGaN/n-GaN超晶格結(jié)構(gòu),晶片的翹曲可以通過(guò)EpiCurve原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定。6.我們?cè)诟哔|(zhì)量n-GaN薄膜上開(kāi)展了GaN基垂直結(jié)構(gòu)紫光LDs的研制工作,設(shè)計(jì)器件激射峰位于410 nm左右:(1)制備了無(wú)AlGaN上下限制層的GaN基紫光LDs。著重研究了器件的制備流程、結(jié)構(gòu)特性、減薄與解理等后工藝處理以及光泵浦激射特性;(2)制備了有AlGaN上下限制層的GaN基紫光LDs,并實(shí)現(xiàn)了該器件的光泵浦激射。實(shí)驗(yàn)中,我們采用InGaN代替GaN作為波導(dǎo)層材料,目的是為了在器件生長(zhǎng)過(guò)程中引入較多的壓應(yīng)力,從而避免裂紋的產(chǎn)生。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN304;TN312.8

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