AlInGaN薄膜及GaN基DBR的生长和特性研究

摘要

III族氮化物(GaN，AlN及InN)半导体材料具有优异的光学和电学特性，已引起人们广泛的关注和研究。特别是在任意组分下都具有直接带隙的AlInGaN四元材料在高效率短波长发光器件和电子器件领域有着广泛的应用前景，目前正逐渐成为继三元氮化物材料之后国际上新的研究热点。另一方面，GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)一直是III族氮化物器件研究的前沿课题，而高反射率氮化物分布布拉格反射镜(DBR)作为GaN基VCSEL的重要组成部分，其性能和结构也一直被改良和优化。本论文主要以AlInGaN材料的生长和GaN基DBR的制备两个方面为研究对象，详细研究了利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石C面衬底上制备AlInGaN薄膜的生长条件和样品的表面、结构及光学性质，设计并制备了高反射率且表面平整的AlN/GaN DBR。具体的研究内容和相应结果有以下几个部分： 1、研究了AlInGaN薄膜的MOCVD生长特性。重点研究了不同生长温度下AlInGaN材料表面形貌的变化及成因，实验上直接证明了不同厚度的AlInGaN薄膜内存在的组分拉伸现象(composition pulling effect)。发现反应室压强与AlInGaN材料组分及其均匀性有密切的关系。 2、确认了低温AlN插入层对AlInGaN材料中应力和表面形貌的影响。 3、分析了不同生长温度下AlInGaN薄膜的生长机制并提出了相关的生长模型，通过调整生长温度，成功制备出a轴晶格匹配的AlInGaN/GaN异质外延结构。 4、理论上模拟了折射率、周期数和各层厚度偏差对GaN基DBR结构反射特性的影响，为后续的GaN基DBR结构的生长和设计提供了理论指导和依据。生长了AlInGaN/GaN DBR结构，研究了生长温度和GaN缓冲层厚度对AlInGaN/GaN DBR表面和结构的影响。 5、通过使用较薄的GaN缓冲层，低温AlN插入层和DBR中AlN层掺入In三种手段，利用MOCVD方法生长了具有高折射率差的AlN/GaN DBR，所制样品分别在蓝光和紫光波段达到99％的高反射率，并且表面较为平整。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1 AlInGaN四元薄膜的研究进展和趋势

1.2 GaN基VCSEL及DBR的发展现状

1.3本论文的研究内容和结构安排

参考文献

第二章材料生长技术和材料表征方法

2.1材料的MOCVD外延生长

2.2材料的表面表征(SEM和AFM)

2.3材料的结构和组分表征(XRD和XPS)

2.4材料的光学特性表征(PL和Spectrophotometer)

参考文献

第三章AlInGaN四元薄膜的制备与分析

3.1 AlInGaN薄膜的制备过程

3.2生长条件对AlInGaN薄膜的结构和性质的影响

3.2.1生长温度对AlInGaN薄膜表面形貌的影响

3.2.2 AlInGaN薄膜组分随生长厚度的变化

3.2.3反应室压强对AlInGaN薄膜材料特性的影响

3.2.4低温AIN插入层对AlInGaN薄膜生长的影响

3.2.5与GaN晶格匹配的AlInGaN薄膜的生长

3.3有关AlInGaN薄膜生长机理的考察

3.4本章小结

参考文献

第四章AlInGaN／GaN DBR的制备与分析

4.1 DBR反射特性与折射率、周期数及各层厚度偏差的关系

4.1.1模拟模型和原理

4.1.2反射谱的模拟

4.2在C面蓝宝石衬底上AlInGaN／GaN DBR的外延生长

4.3 AlInGaN／GaN DBR的表面、结构和光学表征

4.4本章小结

参考文献

第五章AIN／GaN DBR的制备与分析

5.1在C面蓝宝石衬底上AIN／GaN DBR的外延生长

5.2 AIN／GaN DBR的表面与结构表征

5.3 AIN／GaN DBR的光学特性研究

5.4本章小结

参考文献

第六章结论与展望

硕士期间发表论文

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