GaN基LED不同功能层的MOCVD生长及其性能研究

摘要

LED作为第三代光源，具有节能、环保、寿命长、稳定性高、体积小等优点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源和固态照明等领域。自中村修二成功制备了宽禁带GaN基半导体材料之后，具有商业应用价值的蓝光LED获得实现，LED在光效提升和成本降低方面取得了飞速的发展。但LED仍有一些问题需要进一步解决和完善，例如，外延生长参数对GaN晶体质量的影响机制还不明确；高空穴浓度低电阻率p型GaN的制备困难；InGaN与GaN的物理化学性能差异使得高质量量子阱生长困难等。本论文从以上提出的问题出发，对GaN基LED外延结构各功能层进行生长，探究了工艺参数和结构参数对不同功能层结构性质以及光电性能的影响，并对其影响机制做了深入的分析。具体内容如下：
　　1、研究了形核层厚度(分别为15、25和45 nm)对平面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜晶体质量的影响。高分辨X射线衍射(HRXRD)结果表明：当形核层厚度为25 nm时，GaN外延薄膜的(002)和(102)面的HRXRD谱的半高宽(FWHM)最小，分别为267和284 arcsec。原子力显微镜(AFM)结果表明：形核层退火后，样品表面呈岛状结构。形核层厚度的增加有利于获得大尺寸的岛，但是岛的均匀性较差。尺寸大、均匀性好、密度低的形核岛对GaN外延薄膜的晶体质量是最有利的，这可采用位错的产生和演变机制来解释影响机理。调控形核层厚度是控制岛的尺寸和密度的有效手段之一，因此，形核层厚度能够显著影响GaN薄膜的晶体质量。
　　2、研究了形核层厚度对图形蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜晶体质量的影响。扫描电子显微镜(SEM)和HRXRD结果表明：三维生长过程中形核点的位置对GaN薄膜的晶体质量有明显的影响，当三维生长形核点的位置处于图形的侧壁时不利于GaN薄膜晶体质量的提高，这是由于侧壁上长大的形核岛晶体取向存在差异；三维生长形核点的位置处于图形的间隙时有利于获得高质量的GaN晶体，这时形核岛的晶体取向一致，生长的GaN表面较平整，晶体质量较高。形核层的厚度能够显著影响形核点的位置，因此其对GaN的晶体质量有重要的影响。
　　3、解释了轻Si掺杂GaN中较高的载流子迁移率以及较强的黄带发光峰强度的物理机制。结果表明：载流子迁移率随着载流子浓度的升高呈现出先增加后降低的变化趋势，这种变化源自于电离杂质对位错散射的屏蔽和电离杂质散射的增强。在低掺杂浓度下(载流子浓度为2.37×1017 cm-3)，电离杂质对位错散射的屏蔽作用处于主导地位，从而导致迁移率的骤升。在高的掺杂浓度下(载流子浓度为9.73×1018 cm-3)，电离杂质散射的增强导致载流子迁移率的降低。高的迁移率导致光生非平衡载流子的扩散长度增加，从而引起更多的缺陷参与到复合中去，导致轻Si掺杂GaN的黄带发光峰强度增强。
　　4、研究了Mg/Ga比对p型GaN光电性能的影响。结果表明：当Mg/Ga比为2％时，p型GaN可以获得最高的空穴浓度4.2×1017 cm-3。当Mg/Ga比超过了2%时，会形成位于深施主能级的MgGa-VN，起自补偿作用，此时，440 nm的蓝光发光峰会出现，并且随着Mg/Ga比的不断增大，440 nm的蓝光发光峰逐渐增强。同时，较大的Mg/Ga比会导致p型GaN表面出现颗粒状的物质，并且随着比值的增加，颗粒的尺寸增大。结果表明在重掺杂状态下，Mg杂质并不是全部以受主状态存在，而是部分以深施主状态存在。
　　5、研究了阱层厚度对蓝光InGaN/GaN量子阱性能的影响。结果表明：在相同的激发功率下，随着阱厚的增加，光致发光谱(PL)发光波长出现红移，并且激发功率越大，红移程度越弱。随着阱厚的增加，对于较薄的量子阱(1.8和2.7 nm)，PL发光波长的红移是由带隙填充效应引起的；对于较厚的量子阱(3.6和4.5 nm)，PL发光波长的红移是由极化场屏蔽效应引起的。阱最薄的样品(1.8 nm)由于其极化效应最弱，EL谱具有最高的发光强度，但其发光波长较短仅有430 nm，比标准的蓝光波长(450 nm)蓝移了20 nm。虽然，可以通过降低生长温度或增加In源流量的方法使其发光波长变为450 nm，但其晶体质量会变差，导致EL发光强度比2.7 nm阱厚的样品低，因此，在标准的蓝光波段2.7 nm为较理想的阱厚。
　　6、研究了量子阱中势阱层的生长速率对绿光InGaN/GaN量子阱性能的影响。HRXRD结果表明：随着势阱层生长速率的提高，量子阱的界面质量不断恶化。AFM结果表明：随着阱层生长速率的提高，量子阱表面开始出现裂纹，并且裂纹的尺寸逐渐增大。PL结果表明：在低的生长速率下， PL发光强度会明显提高，FWHM变窄，发光波长蓝移。以上结果表明降低量子阱的生长速率使势阱中In组分分布更均匀，有利于获得陡峭的量子阱界面和较平整的量子阱表面。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 LED的发展史

1.3 GaN基材料的晶体结构和基本性质

1.4 GaN基LED简介

1.5 本课题的选题背景和意义

1.6 本论文的研究内容和结构

参考文献

第二章 MOCVD生长系统和GaN相关的测试设备

2.1 引言

2.2 MOCVD生长系统

2.3 实验测试设备

2.4 本章小结

参考文献

第三章 形核层厚度调控对GaN薄膜晶体质量的影响

3.1 引言

3.2 平面衬底上形核层厚度调控对GaN薄膜晶体质量的影响

3.3 图形衬底上形核层厚度调控对GaN薄膜晶体质量的影响

3.4 本章小结

参考文献

第四章 Si和Mg掺杂GaN的光电特性研究

4.1 引言

4.2 轻Si掺杂n型GaN中反常的高载流子迁移率和黄带强度

4.3 不同Mg/Ga比对p型GaN光电性能的影响

4.4 本章小结

参考文献

第五章 InGaN/GaN多量子阱的生长和光电性能研究

5.1 引言

5.2 阱层厚度对蓝光多量子阱性能的影响

5.3 阱层生长速率对绿光多量子阱性能的影响

5.4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

攻读博士期间所取得的科研成果

发表的论文

申请的专利

致谢