低温AIN层的MOCVD生长工艺及应用研究

摘要

近年来，AlGaN/GaN量子阱受到越来越多的关注并广泛应用于诸如紫外发光二极管和高电子迁移率晶体管等各类光电器件和电子器件中。然而，由于AlGaN/GaN量子阱与GaN模板间存在极大的晶格失配和热膨胀失配使量子阱区外延层中很容易产生大量的结构缺陷、裂纹和明显的应力弛豫现象，因此如何生长高质量的AlGaN/GaN量子阱成为了一个亟待解决的难题。在众多解决办法中，低温AlN插入层作为应变工程技术被视为一种有效且便捷的手段用来调控AlGaN/GaN量子阱外延层中的晶体质量以及相应的应力弛豫问题。本文以在AlGaN/GaN量子阱结构下方插入低温AlN插入层为出发点，重点研究低温AlN插入层生长温度对低温AlN层晶体质量影响，以及对AlGaN/GaN量子阱层外延晶体质量和光学电学性质的影响。从实验以及理论上分析生长温度在低温AlN插入层以及量子阱层生长过程中影响机制。主要研究成果如下:
　　利用MOCVD方法，通过改变低温AlN层外延过程中生长温度，在GaN基底上制得AlN外延薄膜。利用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)及原子力显微镜(AFM)等方法测试了薄膜的晶体结构及表面粗糙度，重点研究了低温AlN层的生长温度对AlN层外延质量的影响。实验结果显示，不同的生长温度直接会导致低温AlN层具有不同的表面形貌、表面粗糙度及位错密度，且随生长温度的升高，刃型与螺型位错密度呈现先降低后升高的趋势，并在640℃达到最低;表面粗糙度呈现先升高后降低的趋势，也在640℃达到最高。通过理论计算AlN层中的应变可以发现，随温度升高AlN层外延层中应变先升高后降低,也在640℃达到最大。低温AlN插入层的生长温度直接影响Al原子在界面处的迁移率及复合速率，这将导致不同的低温AlN层的晶粒生长合并模式进而直接影响外延层中的刃型与螺型穿透位错密度以及外延层中的应力方向及应变大小以及其表面形貌。
　　利用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)及原子力显微镜(AFM)等测试手段研究了低温AlN插入层的生长温度对AlGaN/GaN量子阱应力弛豫作用的影响。通过实验发现，低温AlN插入层不同的生长温度会导致AlGaN/GaN量子阱不同的表面粗糙度及位错密度，并且当生长温度达到640℃时样品中表面粗糙度及位错密度达到最低，同时具有最高的载流子迁移率及带边发光峰强度。利用原子力显微镜直接观察插入层的表面结构可以发现，在不同的生长温度得到的低温AlN表面具有不同的表面形貌从而直接影响界面处位错主滑移系的开动及位错阻挡机制。而低温AlN不同的表面形貌是由于Al原子在不同温度下的不同的迁移机制造成。
　　利用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)及原子力显微镜(AFM)等测试手段重点研究了640℃生长的低温AlN插入层对AlGaN/GaN量子阱外延晶体质量影响。实验数据证明在640℃生长的低温AlN插入层可以有效的阻挡GaN基底中的穿透位错，降低量子阱中的位错密度;有效地降低外延层表面粗糙度。其引入AlGaN/GaN的压应变将导致发光峰的蓝移。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料及LED简介

1．1．1 GaN基半导体材料

1．1．2 其他Ⅲ-Ⅴ族化合物材料简介

1．1．3 材料生长系统简介

1．1．4 GaN基发光二极管外延生长及芯片结构

1．1．5 LED简介

1．2 研究进展

1．2．1 缓冲层技术

1．2．2 插入层技术

1．2．3 应力弛豫问题

1．2．4 GaN薄膜中位错的分类及观察条件

1．3 本论文主要工作

第二章 MOCVD生长系统设备原理和相关表征手段

2．1 MOCVD生长原理简介

2．1．1 源和载气输运系统

2．1．2 反应室及加热系统

2．2 MOCVD生长GaN基材料的原理

2．2．1 MOCVD外延生长中的热力学及动力学过程

2．2．2 Ⅲ氮化物外延薄膜的MOCVD生长简介

2．3 实验表征方法

2．3．1 高分辨X射线衍射(HRXRD)

2．3．2 光致发光谱

2．3．3 原子力显微镜

2．3．4 霍尔(Hall)效应测试仪

2．4 本章小结

第三章 不同生长温度下的低温AlN层的MOCVD生长

3．1 引言

3．1．1 AlN材料生长的MOCVD基本原理

3．1．2 AlN薄膜的生长模型

3．2 低温AlN层的外延生长工艺

3．3 低温AlN层外延层晶体质量研究

3．4 低温AlN层表面粗糙度研究

3．5 本章小结

第四章 低温AlN插入层对AlGaN／GaN量子阱晶体质量、性能及应力弛豫作用影响

4．1 引言

4．2 低温AlN插入层的生长温度对AlGaN／GaN量子阱质量影响

4．2．1 AlGaN／GaN量子阱工艺生长条件

4．2．2 AlGaN／GaN多量子阱外延层晶体质量研究

4．2．3 AlGaN／GaN多量子阱表面粗糙度研究

4．2．4 AlGaN／GaN多量子阱电学及光学性能研究

4．3 低温AlN层表面研究及AlGaN／GaN多量子阱应力弛豫

4．3．1 引言

4．3．2 低温AlN层工艺生长条件

4．3．3 低温AlN层表面粗糙度研究

4．3．4 低温AlN层对AlGaN／GaN多量子阱应力弛豫的影响

4．4 低温AlN插入层对AlGaN／GaN量子阱晶体质量以及光学性质影响

4．4．1 AlGaN／GaN量子阱工艺生长条件

4．4．2 低温AlN插入层对AlGaN／GaN多量子阱外延层晶体质量影响研究

4．4．3 低温AlN插入层对AlGaN／GaN多量子阱光学性能研究

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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