SiC衬底紫外LED制备和研究

发布时间：2018-02-26 13:03

本文关键词： 碳化硅三族氮化物紫外发光二极管　出处：《大连理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：(Al)GaN基材料为直接宽带隙半导体,带隙在3.4eV(GaN)到6.2eV(AlN)的范围内连续可调,具有良好的化学和热稳定性,是制备高效紫外LED的理想材料。(Al)GaN基紫外LED具有零污染、光谱窄、能耗低、寿命长、响应速度快等优点,在白光照明、紫外固化、医疗诊断、消菌杀毒等多个领域具有广泛的应用前景。由于(Al)GaN材料缺乏同质单晶衬底,通常采用异质外延方法制备,其中SiC衬底与A1N的晶格失配仅为1%,且具有优良的导电和导热特性,是制备(Al)GaN外延材料的理想衬底之一。但是,SiC衬底对紫外光具有很强的吸收作用,加之较大的热失配会在器件结构中产生大量裂纹,这也是限制其在紫外LED器件方面发展的重要因素。本论文围绕在SiC衬底上制备紫外LED存在的难点问题展开工作,从氮化物材料生长和器件结构设计两方面深入系统地进行了研究,主要研究内容如下：(1)研究了喷淋头与衬底之间的距离(简称喷淋头高度)对GaN外延膜的生长速率、晶体质量及应力状态的影响。研究发现,当喷淋头高度由7mm升高至13mmm时,生长速率由3.6μm/h降低至1.8μm/h。通过对GaN反应动力学进行分析,我们认为,调节喷淋头高度可直接导致反应室内的温度梯度发生改变,热泳力也随之改变,改变后的热泳力会使气相中的GaN纳米颗粒趋向于聚集在反应室内温度较高的区域,其吸附和消耗Ga源的能力变强,导致生长速率急剧下降。生长速率降低的同时,GaN生长初期形成岛的尺寸变小,小岛合并后GaN外延膜所承受的张应力增加,晶体质量有所提升。(2)研究了Ⅴ/Ⅲ比对AlGaN外延膜的影响,通过控制合适的Ⅴ/Ⅲ比,可以有效抑制气相寄生反应,适当提高生长速率、提升Al的并入效率及晶体质量。并在此基础上,通过引入SiNx插入层,成功制备出无裂纹、晶体质量较好、厚度为1.8μmm的Al0.5Ga0.5N外延膜,并对其外延机理进行了深入的分析。(3)运用SiNx插入层调控分布式布拉格反射镜(DBR)结构的应力状态,在SiC衬底上制备出30个周期无裂纹高反射的Al0.2Ga0.8N/GaN DBRs结构。通过HR-XRD和FE-SEM测试分析发现,DBR结构具有陡峭的界面和良好的晶体质量,其反射光谱中心波长位于388nm,反射率高达92.8%,截止带宽为16nm。并在此结构基础上外延了近紫外LED结构,利用DBR结构的高反射特性,有效减缓了SiC衬底对紫外光的吸收作用,将近紫外LED的光输出功率提高了56%。(4)在无裂纹Al0.5Ga0.5N外延膜上制备了两种结构的深紫外LED,这两种结构的主要区别在于p区接触层所采用的材料不同,但均存在各自的优缺点。其中运用p-GaN作为接触层,可以有效降低器件的接触电阻,但会造成双面吸光效应。利用p-AlGaN超晶格结构作为接触层,虽然可以有效降低对紫外光的吸收作用,但其接触电阻会增大。(5)采用极性调控技术制备出了高质量A1N外延膜。通过在GaN外延模板和A1N外延层之间引入渐变AlGaN插入层(极性调控层),有效抑制了下层GaN模板的分解,同时控制了A1N外延膜的单一Al极性生长。这样在1050℃条件下,获得了表面平整,晶体质量优良的AlN外延膜。通过分析发现,目前普遍采用高温(1300℃)生长的方法获得晶体质量较高的A1N外延膜,其重要原因之一是高温更趋向于使薄膜单一Al极性生长。在此基础上,运用该AlN层作为应力调控层,在GaN外延模板上制备出无裂纹的Al0.5Ga0.5N外延膜。(6)运用极化诱导理论,制备出p-GaN/Mg-doped Al0.3Ga0.7N/n+-GaN/n-SiC异质结构,获得垂直导电的反向极化诱导隧穿结器件,该器件在反偏-1V时电流密度为4.2A/cm-2。创新性地运用AlN应力调控层将极化诱导隧穿结与深紫外LED器件结构相结合,制备出结构反转的深紫外LED,即p型区域位于量子阱结构下侧,紫外光可从器件上表面的n型区域进行发射,有效解决了双面吸光问题。同时运用n-SiC衬底的导电特性,成功研制出垂直结构的深紫外LED。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN312.8

【参考文献】