用于紫外发光器件的AlGaN材料的生长及物性研究

发布时间：2020-04-24 22:28

【摘要】：本文以应用于紫外发光器件的高质量AlGaN材料为目标,开展了基于不同衬底上p型GaN、高Al组分AlGaN薄膜及纳米柱结构的分子束外延生长,并对其表面形貌、晶体结构及光学性能等进行了系统而深入的研究。本论文主要研究成果如下:1.优化MBE生长条件,制备了高质量的GaN薄膜。利用原位监测系统分析了不同条件下GaN的生长模式,通过比较不同温度和Ⅲ/Ⅴ比对GaN表面形貌的影响,在生长温度为710℃及Ga束流为6.0×10-8 Torr的条件下获得了位错密度为5×108 cm-2的GaN薄膜材料。2.研究了GaN材料中Mg原子的并入行为,获得空穴浓度为2.8×1018 cm-3的p型GaN材料。在一定范围内,提高生长温度有利于Mg的有效掺入,但是温度过高会导致氮空位增多而降低空穴浓度。充足的Ga原子可以提高晶体质量及空穴浓度,但过多的Ga对Mg的并入有一定的抑制作用。3.在GaN模板上制备了Al组分为26%的AlGaN薄膜。通过改变Al束流可以有效地调控AlGaN材料的Al组分;在富金属条件下,提高温度和增大Ga束流能够获得更光滑的表面、更强的发光强度和更长的少子寿命。AlGaN材料的超快光学特性研究证明存在两种激活能不同的非辐射复合中心,并且较深能级的非辐射复合中心是制约材料少子寿命及发光效率的关键因素。4.基于AlN模板实现了Al组分高于40%的AlGaN薄膜的生长及p型掺杂。研究表明,大的Al束流和高的生长温度有利于提高Al组分,并改善表面形貌和结晶质量,AlGaN材料的室温PL发光波长为263 nm。研究了AlGaN材料的p型掺杂,适当降低生长温度和提高源炉温度更利于Mg原子的并入,获得了p型AlGaN材料,但是Mg的激活率非常低。5.基于AlN模板制备了AlGaN/AlN多量子阱结构,实现了室温深紫外发光。AlGaN/AlN多量子阱结构的发光波长及强度取决于势阱层的厚度及异质界面质量,而生长温度是影响异质界面质量的关键因素。10个周期AlGaN(2.4 nm)/AlN(6.9 nm)多量子阱结构在室温下获得了260 nm的深紫外发光。6.基于Si(111)衬底实现了GaN基纳米柱结构的MBE自组织生长。探究了AlN缓冲层对高质量GaN基纳米柱生长的重要作用。在GaN纳米柱基础上,制备了 AlGaN及其异质结构的纳米材料,并成功提取出单根纳米柱。微观结构测试显示AlGaN基纳米柱为纤锌矿结构,轴向生长方向为[0001],并分析了纳米柱的核壳结构的形成机理。单层AlGaN及AlGaN/AlN多量子阱纳米柱在室温下分别实现了305 nm和290 nm的紫外发光。以聚苯乙烯胶质小球为纳米结构掩膜版制作了两种不同的图形化衬底,并在Si纳米柱阵列图形化衬底上初步实现了GaN基纳米柱的选择性生长。
【图文】：

括我国在内的１２８个国家或地区正式生效。基于性能优势和政策引导，紫外光逡逑ＬＥＤ正成为紫外光源领域备受关注的技术，，有着巨大的市场潜力，尤其是在紫逡逑外固化和杀菌方面（图１．２）。法国ＹｏｌｅＤＳｖｅｌｏｐｐｅｍｅｎｔ公司指出全球ＵＶ－ＬＥＤ市逡逑场规模从２０１２年的４５００万美元增长至２０１７年的２．７亿美元，占据全球紫外光逡逑源市场的３４．７％，平均年增长率４３％的速度增长。他们预测［１５］，ＵＶ－ＬＥＤ的市场逡逑规模仍会以４１％的增长率从２０１８美元的２．４２亿美元到２０２３美元的１３．３９亿美元。逡逑２逡逑

ＨＩ族氮化物材料主要包括ＧａＮ、ＡＩＮ、ＩｎＮ以及它们相互组成的多元合金材逡逑料（ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ及ＡｌＩｎＧａＮ），其晶体结构有三种类型：纤锌矿结构逡逑（六方相）、闪锌矿结构（立方相）和岩盐矿结构［１６］邋（ＮａＣｌ），如图１．３所示。逡逑４逡逑？＃rP幔

本文编号：2639454