硅衬底GaN基近紫外、黄光LED材料生长单元技术研究

摘要

目前Ⅲ族氮化物LED研究取得了突破性进展，蓝光LED的内量子效率已经高达85～87％。为适应不同波段的应用需求，GaN基LED的研究重点向高Al组分、高In组分方向转移。本文以材料失配程度更大、电场极化程度更强的Si衬底GaN基近紫外LED和Si衬底GaN基黄光LED为载体，研究了影响LED性能的材料生长单元技术。Si衬底GaN基近紫外LED部分，主要研究了AlGaN量子垒生长单元技术和V形坑生长单元技术。Si衬底GaN基黄光LED部分，主要研究了p-AlGaN EBL生长单元技术。主要得到了以下成果：
　　1、设计并生长了不同Al组分的AlGaN量子垒结构，讨论了Al组分影响Si衬底GaN基近紫外LED性能的物理机理，确定了量子垒中最佳Al组分。实验结果表明，量子垒中Al组分影响有源区载流子限制能力和EBL能带弯曲程度，进而影响LED的量子效率和efficiency droop，因此Al组分既不能太高也不能太低。本论文研究的Si衬底GaN基近紫外LED（峰值波长395nm）量子垒中最佳Al组分为15%。
　　2、使用LT-GaN插入层诱导V形坑生长技术，通过控制插入层的厚度调控V形坑尺寸。发现量子阱表面存在尺寸大小不同的两组V形坑，创新性地提出每组V形坑对LED性能影响不同并分别进行了研究。确定了Si衬底GaN基近紫外LED中V形坑最佳尺寸，对V形坑影响LED性能的作用机制进行了完善和扩展。结果表明V形坑尺寸在一定范围内具有屏蔽位错、抑制非辐射复合、增强空穴注入的作用，光电性能随着V形坑尺寸的增大而提高。当V形坑尺寸超过一定限度，量子阱有效发光面积减小，外延层结构质量下降，导致器件光电性能随着V形坑尺寸的增大而衰退。本实验最佳的V形坑尺寸为120-190nm，尺寸过大或者过小都会降低器件性能。相关研究成果已被《发光学报》录用。
　　3、通过调控p-AlGaN EBL生长NH3流量，研究了p-AlGaN EBL单元生长技术，发现了NH3流量与C、O杂质浓度的关系，并对C、O杂质影响Si衬底GaN基黄光LED性能的物理机理进行了研究。提出一种新的空穴注入机理，结合V形坑的结构对实验现象进行了详细地解释。通过变温变电流EQE和EL光谱验证了空穴浓度和空穴注入机理的变化。综合考虑LED光电参数以及生长技术，确定了p-AlGaN EBL最佳生长NH3流量，并制备了性能极佳的黄光LED器件。研究表明，C、O杂质的浓度随着p-AlGaN EBL生长NH3流量的降低而升高，其存在会在p-AlGaN EBL中形成CN—ON深能级施主缺陷，补偿MgGa受主，导致材料中有效空穴浓度降低和电阻率升高。平台和V形坑侧壁p-AlGaN EBL电阻率的相对大小决定了空穴注入机理，造成了LED光电性能的显著差异。空穴主要沿平台注入时，变温变电流EQE最大值出现在100K，EL光谱只能观察到主发光峰和声子伴线。当空穴主要沿 V形坑注入时，变温变电流EQE最大值出现在更高温度，EL光谱可观察到p型层Mg深能级峰、超晶格发光峰和V形坑侧壁量子阱发光峰。p-AlGaN EBL生长NH3流量不能太高，否则预反应较为严重；也不能太低，否则会导致较高浓度的C、O杂质污染。综合考虑LED光电参数以及生长技术，1500sccm是p-AlGaNEBL最佳生长NH3流量。在此生长条件下，LED光电性能优异，20A/cm2下EQE，Vf，WPE和FWHM分别为22.0%，2.363V，20.42%和39.4nm。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 GaN基LED概况

1.3 GaN基LED材料生长单元技术

1.4 本论文的研究内容和结构安排

第2章 Si衬底GaN基LED制造及表征技术

2.1 Si衬底GaN基LED制造技术

2.2 Si衬底GaN基LED表征技术

第3章 量子垒中Al组分对Si衬底GaN基近紫外LED性能影响研究

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 V形坑生长尺寸对Si衬底GaN基近紫外LED性能影响研究

4.1 引言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 p-AlGaN EBL生长NH3流量对Si衬底GaN基黄光LED性能影响研究

5.1 引言

5.2 实验

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 总结

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果