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

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【摘要】：以GaN和SiC為代表的第三代寬禁帶半導體材料因具有優(yōu)越的光電特性而被廣泛應用于發(fā)光二極管(LEDs)、短波長激光器(LDs)、紫外探測器以及微波器件等領域。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%,較大的晶格失配會使GaN薄膜內的穿透位錯密度達到109 cm-2量級,同時位錯會延伸至InGaN/Ga N量子阱中,從而導致器件發(fā)光效率的降低。SiC與GaN之間的晶格失配僅為3.4%,并且SiC具有良好的導熱和導電性能,是制備GaN基光電器件的理想襯底。本論文中,我們利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術,在SiC襯底上開展了高質量GaN薄膜的可控生長以及發(fā)光器件的相關研究工作。具體研究內容如下: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、生長溫度以及V/III比對一定厚度(1.5μm)的GaN薄膜結晶質量、表面形貌、光學特性及應力特性的影響。其中當AlN緩沖層厚度為100 nm、生長溫度為1080oC以及V/III比為650時,GaN薄膜性能最優(yōu)。2.由于GaN與SiC之間存在33.1%熱失配,導致外延生長后的降溫過程中薄膜內會引入較大的張應力,同時膜內的張應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薄膜內的張應力,我們采用在AlN和GaN之間插入漸變Al_xGa_1-xN(x=1-0)緩沖層的方法來實現。著重研究了漸變AlGaN緩沖層生長溫度、厚度以及生長速率對1.5μm厚GaN薄膜結晶質量、表面形貌、光學特性及應力特性的影響。當AlGaN緩沖層生長溫度為1100oC、厚度為80 nm以及生長速率為0.09μm/h時,GaN薄膜性能最優(yōu)。此外,通過EpiCurve原位監(jiān)測系統(tǒng)探測到晶片的曲率曲線中發(fā)現,漸變AlGaN緩沖層生長過程中引入了壓應力,從而有效降低了GaN薄膜內的張應力。3.SiNx作為多孔狀的納米掩膜,不僅可以阻擋位錯,而且可以改善GaN薄膜內的應力狀態(tài)。我們著重探討了SiNx插入層的生長時間和插入位置對4.5μm厚GaN薄膜生長模式、結晶質量、腐蝕特性、表面形貌和應力特性的影響。其中當SiNx插入層生長時間為180 s,沉積位置為0.2μm時,GaN薄膜特性最優(yōu)。通過優(yōu)化,我們獲得了最優(yōu)的SiNx生長條件。在此基礎上,我們分別對AlN緩沖層系列實驗以及漸變AlxGa1-xN緩沖層系列實驗中制備的1.5μm厚GaN薄膜做進一步生長優(yōu)化,結果顯示其薄膜質量有了明顯提升,為GaN基水平結構發(fā)光器件的制備打下了堅實的基礎。4.水平結構器件存在電流擁堵效應,長時間工作會導致其性能的下降,而SiC襯底擁有良好的導電和導熱特性,非常適合制備垂直結構器件。相比于水平結構,垂直結構器件具有電流分布均勻、發(fā)熱量少、工藝簡單以及有源區(qū)面積大等優(yōu)點。為了獲得高性能的GaN基垂直結構發(fā)光器件,我們在SiC襯底上利用n-AlGaN導電緩沖層和SiNx插入層技術開展了高質量n-GaN薄膜的外延生長工作。著重考察了SiNx插入層生長條件對n-GaN薄膜生長模式、結晶質量、腐蝕特性、表面形貌、電學特性以及應力特性的影響。研究發(fā)現,增加SiNx插入層生長時間并降低其沉積位置有利于n-GaN薄膜特性的提升。5.我們以高質量GaN薄膜為模板開展了GaN基綠光LEDs的制備工作,設計器件發(fā)光波長約為525 nm:(1)制備了GaN基水平結構綠光LEDs。著重介紹了器件的制備流程、結構特性以及光電特性;(2)制備了GaN基垂直結構綠光LEDs。為了獲得表面平整且無裂紋的器件,我們采用生長過程中預置壓應力的方法來抵消薄膜降溫過程中所產生的張應力,從而防止器件表面裂紋的產生。實驗中我們選取的應力緩解層有n-InGaN/n-GaN超晶格結構、n-InGaN以及n-AlGaN/n-GaN超晶格結構,晶片的翹曲可以通過EpiCurve原位監(jiān)測系統(tǒng)測定。6.我們在高質量n-GaN薄膜上開展了GaN基垂直結構紫光LDs的研制工作,設計器件激射峰位于410 nm左右:(1)制備了無AlGaN上下限制層的GaN基紫光LDs。著重研究了器件的制備流程、結構特性、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,并實現了該器件的光泵浦激射。實驗中,我們采用InGaN代替GaN作為波導層材料,目的是為了在器件生長過程中引入較多的壓應力,從而避免裂紋的產生。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN304;TN312.8

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本文編號：1325857