非极性AlGaN基量子阱外延生长技术的研究

发布时间：2020-03-18 22:38

【摘要】：基于AlGaN材料制备的深紫外发光二极管(DUV-LED)具有高能效、无污染等特点成为传统汞灯的理想替代者之一。本论文采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术在半极性r面蓝宝石衬底上外延生长了高质量非极性a面AlGaN材料,并成功制备出发光波长为280 nm的非极性AlGaN基多量子阱(MQWs),为制备高光效的非极性AlGaN基DUV-LED奠定了坚实的基础。本论文的主要研究内容如下:1、通过采用两路脉冲生长技术,有效抑制了AlGaN材料在外延生长时三甲基铝(TMAl)与氨气(NH_3)之间强烈的气相预反应,显著提高了非极性AlGaN外延层的表面形貌与相对光透过率。相较于传统连续生长法,使用两路脉冲生长法生长的非极性Al_(0.68)Ga_(0.32)N外延层的表面粗糙度均方根(RMS)值从15.08 nm降低至1.79 nm。研究还发现,基于该两路脉冲生长技术但经过进一步改进后的TMAl占空比调制生长法,可以更有效地调控非极性AlGaN外延层的Al组分。2、使用改进的原位插入层生长方法,可以在免掩膜工艺的前提下进行AlGaN基材料的侧向外延生长。该方法不仅可以有效释放外延层中的应变,从而显著提高非极性AlGaN基材料的晶体质量,抑制晶体质量的各向异性,而且,也能使非极性AlGaN基材料表面典型的倒金字塔形缺陷密度获得明显降低。3、对双重氮化生长方法进行了深入的研究,即分别对蓝宝石衬底和低温(LT)AlN成核层的氮化参数进行了优化。研究发现,对蓝宝石衬底进行合适的氮化,可以形成具有一定密度和高度的AlN晶核,该AlN晶核对后续的外延生长起到了关键性的作用。通过仔细优化关于蓝宝石衬底与LT-AlN的氮化参数,成功将非极性Al_(0.53)Ga_(0.46)N外延层的RMS值降低至1.54 nm,完全达到外延生长多量子阱结构的要求。4、基于研发的TMAl占空比调制生长技术与优化后的双重氮化参数,成功在r面蓝宝石衬底上生长获得高内量子效率(IQE)的非极性深紫外AlGaN基MQWs,并测得在发光波长为279.2 nm时的IQE高达39%。同时,通过测量变功率光致发光光谱可以发现,即使在激发功率从6.8×10~3 W/cm~2大幅增加至2.1×10~5 W/cm~2时,本研究制备的非极性AlGaN基MQWs的发光峰并未出现任何蓝移,证明本研究生长的非极性AlGaN基MQWs完全消除了量子限制斯塔克效应(QCSE)。
【图文】：

空气的净化方面，通过采用特定波长的紫外光照射（波长在 260-280 nm 的深紫外光效果最好[7]），可破坏生物体重要的蛋白质、DNA 等有机分子，，从而达到迅速杀死各类细菌、病毒等微生物的效果。而目前在该领域可以商用的只有寿命短、光效低且有剧毒的汞灯紫外光源。另一方面，在太阳光到达地球大气层时，由于臭氧层对 200-280nm 范围的紫外波段具有强烈的吸收作用，造成这一波段范围内的紫外光在近地面空间中几乎不存在，相当于一个天然 暗室 ，所以在该波段几乎是零自然干扰，故被称为 日盲区 。因此该波段的光源、探测器在导弹制导、预警和地空紫外通信等诸多领域具有巨大的军事应用价值。而 III 族氮化物材料，即 AlN、GaN、InN 及其合金 AlGaN、InGaN 等的禁带宽度通过改变合金中金属元素的占比组分而连续可调，理论上可以最小从1.97eV（InN的禁带宽度）连续增加到最大 6.23 eV（AlN 的禁带宽度）。如果使用 GaN 基 III 族氮化物材料制备 LED，其发光波长范围可以覆盖远红外到深紫外。而若是制备 AlGaN 基光电探测器等器件，则探测范围可覆盖日盲区。

EQE已经降低至0.01%[16]。由此可见，随着 DUV-LED 的发光波的不断降低，其 EQE 也会随之急剧下降[17]。下图1.2 所示为当前国际上报道的 UV-LED 的 EQE 随发光波长的变化趋势图。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8

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