形核层生长速率和阱层生长温度对MOCVD生长GaN外延薄膜的影响

发布时间：2017-04-12 22:04

  本文关键词：形核层生长速率和阱层生长温度对MOCVD生长GaN外延薄膜的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,氮化镓基半导体材料广泛应用于发光二级管、太阳能电池等各类电子器件领域中,尤其是GaN基LED器件已经达到了大规模商业化应用的水平。本文采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法,在蓝宝石衬底上生长具有不同形核速率的GaN外延薄膜,系统地研究了GaN形核岛的尺寸及其均匀性对后续高温GaN层生长中位错演变机制的影响;此外,还研究了阱层生长温度对InGaN/GaN多量子阱(MQWs)晶体质量和光学性能的影响,较为全面地了解阱层生长温度对MQWs内在物理机制的影响规律,主要研究成果如下所述。在c面蓝宝石衬底上生长不同形核速率的四组GaN外延薄膜。当形核速率为1.92?/s时,会形成尺寸适宜、均匀分布的形核岛,有利于螺位错在岛横向生长过程中同一级水平位置处弯曲,并发生相互作用而湮没,且此时形核岛高度大致相同,因此岛与岛合并时界面的倾转和偏转量较小,在界面处形成的刃位错也较少。因此,当形核速率为1.92?/s时,薄膜的螺型位错密度(0.955×108 cm~(-2))和刃型位错密度(3.32×108 cm~(-2))以及黄带峰强度达到最小值,并且具有最高的载流子迁移率(385 cm~2V~(-1)S~(-1))和最低的本征载流子浓度(5.2×10~(16) cm~(-3))。采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长具有不同阱层生长温度的InGaN/GaN MQWs结构。随着阱层生长温度降低,阱层In组分增大,界面晶格失配引起的压应力增大,大量的应力以缺陷的方式释放出来,导致因位错传播延伸至表面形成的V型坑尺寸和数量增加,MQWs更倾向于三维的生长模式,导致MQWs的晶体质量变差。反之,阱层生长温度升高时,阱层In组分降低,MQWs的光致发光(PL)波长发生蓝移,且半高宽(FWHM)值不断减小,晶体质量变好。对比不同阱层生长温度发现,710℃阱温生长的样品PL强度最大;激发功率从5.51 W/cm~2变化至46.08 W/cm~2,740℃阱温生长的样品PL峰位蓝移量达到最低值(9.1 nm)。
【关键词】：InGaN GaN MOCVD 形核速率 阱层
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 概述10-11
• 1.2 Ⅲ族氮化物的基本结构和性质11-14
• 1.2.1 晶体结构11
• 1.2.2 常见二元氮化物材料11-12
• 1.2.3 光学性质12-14
• 1.3 GaN 基 LED 的结构与发光原理14-15
• 1.4 GaN基LED的发展历程与现状15-17
• 1.4.1 GaN基LED的发展历程15-16
• 1.4.2 GaN基LED的发展现状16-17
• 1.5 GaN基LED存在的主要问题17-18
• 1.5.1 高In组分的多量子阱生长存在的问题17
• 1.5.2 多量子阱区的量子斯塔克效应17-18
• 1.5.3 GaN的空穴掺杂问题18
• 1.6 本论文研究意义与主要工作安排18-20
• 第二章 MOCVD生长系统与材料表征20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 MOCVD生长系统20-26
• 2.2.1 MOCVD外延生长Ⅲ族氮化物薄膜的机理20-22
• 2.2.2 MOCVD异质外延的生长模式22-23
• 2.2.3 MOCVD设备简介23-26
• 2.3 材料表征方法26-34
• 2.3.1 高分辨X射线衍射（HRXRD）26-27
• 2.3.2 原子力显微镜（AFM）27-28
• 2.3.3 光致发光谱（PL）28-29
• 2.3.4 拉曼光谱29-31
• 2.3.5 霍尔（Hall）效应测试仪31-34
• 第三章 GaN形核层的形核速率对GaN外延薄膜晶体质量的影响34-44
• 3.1 引言34-35
• 3.2 不同形核速率的GaN外延层的样品制备35-37
• 3.2.1 GaN外延薄膜生长流程35-36
• 3.2.2 实验方案36-37
• 3.3 形核速率对GaN外延薄膜晶体质量的影响37-43
• 3.3.1 GaN外延薄膜的原位监测曲线分析37-38
• 3.3.2 GaN形核岛的AFM分析38-39
• 3.3.3 GaN外延薄膜的XRD分析39-41
• 3.3.4 GaN外延薄膜的Hall数据分析41
• 3.3.5 GaN外延薄膜的PL数据分析41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 阱温对In GaN/GaN多量子阱层影响的研究44-54
• 4.1 引言44-45
• 4.2 实验样品的制备45-46
• 4.3 实验分析与讨论46-53
• 4.3.1 HRXRD分析46-48
• 4.3.2 AFM分析48-50
• 4.3.3 PL谱分析50-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 结论与展望54-56
• 5.1 结论54-55
• 5.2 展望55-56
• 参考文献56-66
• 致谢66-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文68

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