衬底切偏角和p型欧姆接触对Si衬底GaN基LED性能稳定性的影响

摘要

GaN基材料因其优异的性能在固态照明方面具有广泛的应用前景。与 GaN常用的异质外延衬底蓝宝石和SiC相比，Si衬底具有价格低、导电导热性能好、尺寸大、易于光电集成等优点，在Si衬底上制备 GaN基LED的技术路线非常有发展潜力，吸引了全球大量研究人员对其进行相关的研究。然而GaN与S i衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，这会在GaN薄膜的外延生长引入巨大的失配应力，进而会影响LED器件的性能。虽然近年来S i衬底GaN基LED技术已取得了重大进展，其发光效率已逐步赶上蓝宝石衬底 LE D，产业规模也在逐渐扩大，但与其独特结构相关的一些问题仍需要进一步研究。
　　本文从GaN薄膜外延生长和器件可靠性两个方面着手进行了研究，一方面研究了S i衬底切偏角对GaN基LED外延膜的影响，利用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)、原子力显微镜(AFM)以及光致发光(PL)对外延薄膜的晶体质量、量子阱中In组分、表面形貌及光学特性进行了研究。另一方面研究了垂直结构芯片电老化过程中正向工作电压 VF2下降的问题，首先，研究了单纯的热效应对器件老化过程中VF2变化的影响；然后，采用SIMS深度剖析技术分析了Si基LED芯片老化前后p-GaN欧姆接触界面Mg、Ga、N、Ag等元素的纵向分布情况以及p-GaN中H元素浓度的变化情况；最后，对比了纯Ag与NiAgN iAg两种结构器件的老化数据，研究了Ni在LED老化过程中的影响。基于以上两个方面研究，本文取得了以下研究成果：
　　1. Si(111)衬底偏角对量子阱中的In组分、GaN外延膜的表面形貌、晶体质量以及光学性能具有重大影响。为了获得高质量的GaN外延薄膜，衬底偏角必须控制在小于0.5°范围。超出此范围，GaN薄膜的晶体质量、表面形貌及光学性能都明显下降。
　　2.开发出了一套满足二次离子质谱仪（SIMS）测试要求的S i基LED芯片试样制备工艺，该工艺也可应用于基于其它衬底制备的薄膜型LED芯片分析。
　　3.老化过程所产生的热效应引起器件温度上升是有限的，还不足以激活Mg受主，不会引起器件VF2下降；老化过程中p-GaN欧姆接触界面处的Mg、Ga、N、Ag元素均没有发生纵向扩散，且 p-GaN中H元素浓度基本上也没有发生变化，我们认为在老化过程中Mg-H络合物发生分解后，当有载流子正向注入时H+俘获电子变成H0，而H0是一种稳定状态不会钝化Mg。老化电压的下降是由于 Mg受主在电注入的作用下被进一步激活，使受主浓度增加，引起p型层电导率上升，器件的VF2下降。
　　4.纯Ag结构器件在老化过程中电压会下降0.2V左右，而N iAgN iAg结构的器件在老化过程中电压几乎不会下降。p型欧姆接触层采用Ni有利于提高 Si基LED器件的稳定性。

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第1章 绪论

1.1 LED技术简介

1.2 Si衬底GaN基LED技术路线

1.2.1 Si衬底 GaN薄膜外延生长

1.2.2 Si衬底 GaN基 LED研究进展

1.2.3 Si衬底 GaN基 LED所面临的挑战

1 .3 p型欧姆接触

1.3.1 p型欧姆接触形成机理

1.3.2 欧姆接触载流子的输运方式

1.3.3 制备 p型 GaN欧姆接触材料的选择

1.3.4 制备 p型 GaN欧姆接触的注意事项

1.3.5欧姆接触的测量方法

1.3.6 p型欧姆接触研究进展

1 .4 本论文的研究内容和行文安排

第2章 Si(111)衬底切偏角对GaN基LED外延膜的影响

2.1 引言

2 .2 衬底切偏角的精确测量方法

2.2.1 实验原理

2.2.2 实验装置

2.2.3 实验步骤

2.2.4 衬底切偏角的计算

2.3 Si(111)衬底切偏角对GaN基LED外延膜的影响

2.3.1实验

2.3.2 结果与讨论

2 .4 本章小结

第3章 Si基LED电老化过程VF 2下降研究

3.1 引言

3.2 热效应对老化电压下降的影响

3.2.1 引言

3.2.2 实验

3.2.3 实验结果与讨论

3.2.4 小结

3 .3 老化过程p型欧姆接触界面元素扩散情况

3.3.1引言

3.3.2 用于 SIMS分析的Si基LED芯片样品制备

3.3.3 实验

3.3.4 结果与讨论

3.3.5 小结

3.4 器件老化前后p-GaN中H浓度变化情况

3.4.1 引言

3.4.2 实验

3.4.3 实验结果与讨论

3.4.4 小结

3.5 Ni对老化电压下降的影响

3.5.1 引言

3.5.2 实验

3 .5 .3 结果与讨论

3 .5 .4 小结

3.6 本章小结

第4章 总 结

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果