SiC衬底上高质量GaN薄膜的外延生长及其发光器件制备研究

发布时间：2017-12-23 23:08

  本文关键词：SiC衬底上高质量GaN薄膜的外延生长及其发光器件制备研究　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：以GaN和SiC为代表的第三代宽禁带半导体材料因具有优越的光电特性而被广泛应用于发光二极管(LEDs)、短波长激光器(LDs)、紫外探测器以及微波器件等领域。由于大尺寸GaN衬底的缺乏,目前商业化的GaN基光电器件主要生长在Al_2O_3衬底和Si衬底上。其中,GaN与Al_2O_3和Si的晶格失配分别为16%和20%,较大的晶格失配会使GaN薄膜内的穿透位错密度达到109 cm-2量级,同时位错会延伸至InGaN/Ga N量子阱中,从而导致器件发光效率的降低。SiC与GaN之间的晶格失配仅为3.4%,并且SiC具有良好的导热和导电性能,是制备GaN基光电器件的理想衬底。本论文中,我们利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术,在SiC衬底上开展了高质量GaN薄膜的可控生长以及发光器件的相关研究工作。具体研究内容如下:1.鉴于AlN与SiC和GaN之间的晶格失配分别为1%和2.4%,因此我们选取AlN作为缓冲层材料,着重研究了AlN缓冲层厚度、生长温度以及V/III比对一定厚度(1.5μm)的GaN薄膜结晶质量、表面形貌、光学特性及应力特性的影响。其中当AlN缓冲层厚度为100 nm、生长温度为1080oC以及V/III比为650时,GaN薄膜性能最优。2.由于GaN与SiC之间存在33.1%热失配,导致外延生长后的降温过程中薄膜内会引入较大的张应力,同时膜内的张应力随着外延层厚度的增加而逐渐增大,最终以裂纹的形式释放,从而影响GaN材料及其器件的性能。为了降低GaN薄膜内的张应力,我们采用在AlN和GaN之间插入渐变Al_xGa_1-xN(x=1-0)缓冲层的方法来实现。着重研究了渐变AlGaN缓冲层生长温度、厚度以及生长速率对1.5μm厚GaN薄膜结晶质量、表面形貌、光学特性及应力特性的影响。当AlGaN缓冲层生长温度为1100oC、厚度为80 nm以及生长速率为0.09μm/h时,GaN薄膜性能最优。此外,通过EpiCurve原位监测系统探测到晶片的曲率曲线中发现,渐变AlGaN缓冲层生长过程中引入了压应力,从而有效降低了GaN薄膜内的张应力。3.SiNx作为多孔状的纳米掩膜,不仅可以阻挡位错,而且可以改善GaN薄膜内的应力状态。我们着重探讨了SiNx插入层的生长时间和插入位置对4.5μm厚GaN薄膜生长模式、结晶质量、腐蚀特性、表面形貌和应力特性的影响。其中当SiNx插入层生长时间为180 s,沉积位置为0.2μm时,GaN薄膜特性最优。通过优化,我们获得了最优的SiNx生长条件。在此基础上,我们分别对AlN缓冲层系列实验以及渐变AlxGa1-xN缓冲层系列实验中制备的1.5μm厚GaN薄膜做进一步生长优化,结果显示其薄膜质量有了明显提升,为GaN基水平结构发光器件的制备打下了坚实的基础。4.水平结构器件存在电流拥堵效应,长时间工作会导致其性能的下降,而SiC衬底拥有良好的导电和导热特性,非常适合制备垂直结构器件。相比于水平结构,垂直结构器件具有电流分布均匀、发热量少、工艺简单以及有源区面积大等优点。为了获得高性能的GaN基垂直结构发光器件,我们在SiC衬底上利用n-AlGaN导电缓冲层和SiNx插入层技术开展了高质量n-GaN薄膜的外延生长工作。着重考察了SiNx插入层生长条件对n-GaN薄膜生长模式、结晶质量、腐蚀特性、表面形貌、电学特性以及应力特性的影响。研究发现,增加SiNx插入层生长时间并降低其沉积位置有利于n-GaN薄膜特性的提升。5.我们以高质量GaN薄膜为模板开展了GaN基绿光LEDs的制备工作,设计器件发光波长约为525 nm:(1)制备了GaN基水平结构绿光LEDs。着重介绍了器件的制备流程、结构特性以及光电特性;(2)制备了GaN基垂直结构绿光LEDs。为了获得表面平整且无裂纹的器件,我们采用生长过程中预置压应力的方法来抵消薄膜降温过程中所产生的张应力,从而防止器件表面裂纹的产生。实验中我们选取的应力缓解层有n-InGaN/n-GaN超晶格结构、n-InGaN以及n-AlGaN/n-GaN超晶格结构,晶片的翘曲可以通过EpiCurve原位监测系统测定。6.我们在高质量n-GaN薄膜上开展了GaN基垂直结构紫光LDs的研制工作,设计器件激射峰位于410 nm左右:(1)制备了无AlGaN上下限制层的GaN基紫光LDs。着重研究了器件的制备流程、结构特性、减薄与解理等后工艺处理以及光泵浦激射特性;(2)制备了有AlGaN上下限制层的GaN基紫光LDs,并实现了该器件的光泵浦激射。实验中,我们采用InGaN代替GaN作为波导层材料,目的是为了在器件生长过程中引入较多的压应力,从而避免裂纹的产生。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304;TN312.8

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本文编号：1325857