蓝宝石衬底上氮极性GaN薄膜的MOCVD生长及其发光器件特性研究

发布时间：2020-06-01 20:24

【摘要】：沿c轴生长的六方纤锌矿结构的Ga N,依据其原子堆叠顺序的不同,存在镓极性和氮极性两种极化方向相反的状态。目前关于镓极性Ga N的研究已经比较全面,特别是在发光器件的研究中取得了很高的发光效率,从而成功实现了商业化。由氮极性Ga N制备的发光器件在理论上拥有比镓极性器件更高的内量子效率和载流子注入效率,因而被认为具有很大的潜力。但是目前,针对氮极性Ga N薄膜生长的研究还处在比较初步的阶段,依然存在着外延薄膜表面粗糙、位错密度高和背景电子浓度难以控制等很多的问题。这些问题限制了氮极性Ga N基发光器件的进一步发展。本论文针对以上问题开展了一系列的研究工作,并以此为基础制备了氮极性的蓝紫光LED,进而对其性能进行了研究。本文的具体研究内容如下:(1)采用MOCVD方法,在蓝宝石衬底上制备了表面光滑的氮极性Ga N薄膜,并通过在薄膜中原位插入Si Nx掩膜层提高了其晶体质量。详细研究了Si Nx掩膜层的沉积时间和插入位置对薄膜位错密度和残余应力的影响。在最优条件下,插入Si Nx掩膜层使氮极性Ga N薄膜刃位错密度降低了20倍,面内张应力降低了3.7倍。对样品的电学和发光特性研究表明,插入Si Nx掩膜层还能有效的降低氮极性Ga N薄膜中的非故意掺杂浓度,同时也能提高薄膜的光学质量。(2)通过delta掺杂的方法成功实现了氮极性Ga N电子浓度可控的n型掺杂。首先,采用均匀掺Si的方法制备了n型氮极性Ga N薄膜。通过对样品表面及电子浓度的表征发现,均匀掺Si的n型氮极性Ga N薄膜表面存在V型坑,且电子浓度并不受Si掺入量的控制。其次,采用delta掺杂的方法实现氮极性Ga N薄膜的n型掺杂。该方法成功抑制了薄膜表面的V型缺陷,而且还可以通过改变生长条件实现对电子浓度的控制。另外,通过对均匀掺杂及delta掺杂制备的n型氮极性Ga N薄膜的比较发现,均匀掺杂方法Si的并入效率更高,delta掺杂的薄膜光学质量更好。(3)通过极化诱导掺杂的方法成功实现了氮极性Al Ga N高空穴浓度的p型掺杂。详述了利用极化诱导掺杂方法实现空穴导电的原理,分析了氮极性Al Ga N薄膜在实现极化诱导掺杂上的优势,推导了计算薄膜内空穴浓度理论值的公式。利用MOCVD方法制备了掺Mg的Al组分线性分布的氮极性Al Ga N薄膜,并在不同的温度下对其电学特性进行表征。通过分析其空穴浓度随温度变化的规律,发现薄膜内同时存在两种空穴电离机制,热激活和极化电场电离。通过在氮极性Ga N模板中插入Si Nx掩膜层及优化生长Al Ga N薄膜过程中Mg流量的方法进一步提高了极化诱导p型Al Ga N薄膜的空穴浓度,可达到9.0×1017cm-3。(4)基于以上薄膜优化及掺杂的条件,制备了氮极性蓝紫光LED,并通过对其性能的表征证明了氮极性LED在大电流驱动下的优势。首先,通过调整多量子阱的结构及生长条件抑制了氮极性量子阱表面出现的六方小丘,并验证了六方小丘源于低温Ga N垒层。其次,利用之前优化获得的各层薄膜的生长条件,制备了水平结构的氮极性蓝紫光LED。分析了其开启电压和在抑制Droop效应方面相对于镓极性器件的优势。最后,通过在LED中加入极化诱导隧道结改善了器件的电流扩展,从而提高了LED的发光强度。在40m A电流驱动下,其EQE增加了68%。
【图文】：

但是目前氮极性 GaN 材料的生长条件还不成熟，在实际生长过程中依然存在很多问题。相比于镓极性 GaN，氮极性的 GaN 往往拥有更粗糙的表面，更高的位错密度及非故意掺杂浓度[9-11]。这些问题的存在限制了其在发光器件中的性能[12]。因此，进一步研究优化氮极性 GaN 的生长条件，制备出高质量的氮极性GaN 薄膜及发光器件，从实验上验证氮极性 GaN 基 LED 的优点对于进一步提高GaN 基 LED 的发光效率具有十分重要的意义。1.2 GaN 的基本性质1.2.1 GaN 的晶体结构GaN 晶体存在六方纤锌矿(Wurtzite)、立方闪锌矿(Zinc-blende)和岩盐（Rock-salt）三种不同的晶体排列结构，如图 1.1 所示。

第 1 章 绪论。由 GaN 的参数可得1331 3333 Ce eC小于零，当薄膜收到），PEP 数值为负值，即其方向和自发极化方向相同。当薄0 a ），PEP 数值为负值，即其方向和自发极化方向相反。aN 晶体中自发极化是有方向的，因此当薄膜沿平行于 的原子堆叠顺序就会产生两种自发极化方向相反的材料 薄膜中的自发极化方向指向衬底，，即平行与 c 轴方向的原子接近衬底时，定义为镓极性。而方向相反的另一种堆极性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304.055

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本文编号：2692013