AlGaN基深紫外LED的MOCVD外延生长

摘要

AlGaN基深紫外发光二极管（LED）是一种新型的固态紫外光源。相对于传统的紫外汞灯，AlGaN基紫外LED具有体积小、重量轻、功耗低、寿命长、环境友好、发光波长连续可调等诸多方面的优点。因此，在紫外相关应用领域获得了广泛关注并开始渗透到汞灯的一些传统应用领域。但是，由于高Al组分AlGaN材料中缺陷密度高、量子阱区极化效应较强、空穴注入效率低以及c面AlGaN材料出光困难等问题，AlGaN基紫外LED的外量子效率仍然远远低于已经商业化的InGaN基蓝光LED。发光功率不足和量子效率偏低严重阻碍了紫外LED的应用。针对紫外LED面临的关键技术问题，本文采用金属有机化学气相外延（MOCVD）从 AlN、AlGaN材料的外延制备出发，结合AlGaN/AlGaN多量子阱（MQWs）和电子阻挡层（EBL）结构的理论设计和实验验证，通过深紫外LED结构的外延生长工作最终实现了多个波段输出光功率达到毫瓦量级的深紫外LED器件。
　　本研究主要内容包括：⑴通过采用脉冲原子层外延（PALE）和传统连续生长的结合，获得了高质量的AlN模板。通过对PALE过程中V/III比的调节，提高AlN生长速度的同时改善了AlN的晶体质量。采用优化后的PALE生长工艺结合连续生长方式，有效改善了AlN薄膜的晶体质量和表面形貌。此外，我们还详细地研究了在AlN外延过程中采用中温AlN插入层技术改善样品晶体质量的机理。⑵在n型Al0.45Ga0.55N材料外延生长过程中引入SiNx原位掩膜生长技术以降低位错密度。通过优化SiNx生长时间有效改善了薄膜的晶体质量，并建立模型阐述了SiNx插入层上Al0.45Ga0.55N的生长机理。⑶制备了厚度达到2.5μm表面无裂纹的Si掺杂Al0.46Ga0.54N。研究了不同周期数的AlN/AlGaN超晶格对Si掺杂Al0.49Ga0.51N的作用。在此基础上，采用设计的两套平均组分递减的AlGaN/AlN超晶格结构成功生长出厚度达到2.5μm，表面无裂纹的n型Al0.46Ga0.54N材料，其中n型载流子浓度达到3.09×1018 cm-3。⑷通过仿真和实验研究了AlGaN/AlGaN多量子阱（MQWs）中阱厚度和Si掺杂对AlGaN/AlGaN MQWs发光性能的影响。最终，我们采用阱厚度3 nm和阱、垒Si掺杂的设计，获得了290 nm发光效率较高的MQWs。⑸采用APSYS软件对UV-LED中的 EBL进行了研究。结果证明所提出的 Al组分沿生长方向渐变（0.9-0.4）设计的EBL能够有效改善电子的阻挡和空穴的注入。与采用Al0.7Ga0.3N EBL结构的样品相比，采用Al组分渐变EBL的UV-LED在发光功率和内量子效率方面表现出了明显的提升。⑹通过理论模拟和实验系统研究了多量子阱结构中最后垒的掺杂对器件性能的影响。通过实验，证明了最后垒中靠近EBL方向的一半厚度进行Mg掺杂能够有效提升UV-LED的性能，这与理论模拟结果符合较好。

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1 绪论

1.1 III族氮化物的性质

1.2 AlGaN基紫外LED

1.3 本文的研究内容和章节安排

2 AlGaN基紫外LED的理论与实验研究方法

2.1 AlGaN基紫外LED器件仿真

2.2 AlGaN金属有机气相沉积

2.3 AlGaN基材料及紫外LED器件测试表征方法

2.3 AlGaN基紫外LED芯片制备工艺

2.5 本章小结

3 AlN模板的外延生长

3.1 已有实验基础

3.2 PALE-AlN工艺研究

3.3 PALE与连续生长结合生长AlN材料

3.4 中温AlN插入层的作用机理研究

3.5 本章小结

4 AlGaN材料的外延生长

4.1 i型AlGaN材料的制备

4.2 采用SiNx原位掩膜技术制备高Al组分AlGaN

4.3 基于超晶格技术的AlGaN制备

4.4 本章小结

5 AlGaN/AlGaN多量子阱结构的外延生长

5.1 AlGaN/AlGaN量子阱阱区厚度对发光的影响

5.2 AlGaN/AlGaN量子阱Si掺杂对发光的影响

5.3 本章小结

6 AlGaN基紫外LED的外延生长

6.1 AlGaN基紫外LED结构理论设计

6.2 290nm UV-LED的外延生长

6.3 其他波段UV-LED的外延生长

6.4 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

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