论文部分内容阅读
Ⅲ族氮化物半导体以其寿命长、节能、环保、色彩丰富、安全及稳定等优点，逐渐发展成为新一代照明光源。但由于氮化镓(GaN)基LED主要采用蓝宝石衬底，它与GaN之间晶格失配非常大，严重影响晶体质量，另外蓝宝石衬底热导率和电导率太低，加上与GaN材料之间存在折射率差异，导致器件设计的复杂化和性能提升的限制。因此，GaN自支撑衬底的研发和使用成为解决这一瓶颈的关键。HVPE是当前获得GaN自支撑衬底最主要的方法，但仍然存在翘曲、分离困难、晶体质量、产率低和价格高的问题。而这种异质外延获得的GaN衬底的内应力、缺陷和表面形貌等特性，对后续同质外延生长带来巨大影响。GaN衬底的HVPE生长和后续的MOCVD同质外延生长的相关问题，需要进行系统的研究来理解各种因素的作用机制，以改进外延生长工艺过程，促进GaN衬底的应用。 本文正是针对GaN衬底在LED应用中的问题，分别研究了a:HVPE厚膜GaN模板上GaN材料及LED器件的MOCVD生长;b:HVPE GaN衬底的自分离临界厚度的计算，及通过蓝宝石热处理成功获得完整两英寸自支撑GaN，以及GaN衬底的表征;c:GaN衬底上同质外延与LED的生长与研究，取得结果如下: 1.在GaN厚膜衬底上准同质外延生长的研究中，运用切块生长和图形化复合衬底表面，释放了表面应力，并通过侧向外延技术(ELOG)进一步减少了位错密度，达到107cm-2量级。另外通过表面等离子体处理方法解决了HVPE衬底的表面问题。通过ELOG方法和ELOG与图形化相结合的方法外延制备出高质量的准同质外延蓝光LED，350mA下的外量子效率提升约为12％。 2.从理论上考察了GaN外延层的自分离过程。建立了新的内缩圆脱层模型，从残余应力的角度出发，引入Griffith判据来考察自分离过程，通过理论计算预测了完全自分离的临界厚度约为500μm。在HVPE生长实验中，应用PEM方法结合蓝宝石热退火工艺，使无裂纹厚度超过500μm，并实现了完整两英寸GaN的自分离。自分离过程中观察发现了新型的脱层路径，通过对脱层路径的理论分析，确定了GaN分离过程中主要为Ⅰ型断裂模式，其中占少部分的Ⅱ型断裂模式也间接证明了GaN边缘的切向应力的存在，这就是GaN厚膜发生与蓝宝石自分离过程的最开始阶段的驱动力。 3.通过AFM、XRD、CL、腐蚀坑、Hall测量的分析，证明了同质GaN衬底很高的晶体质量，位错密度在106cm-2的数量级。在高质量GaN衬底上进行了变温PL光谱测量，在国际上首次通过实验明确观察到了GaN材料中激子极化子-声子耦合产生的声子伴线。激子极化子零阶峰与一阶峰之间的间距随温度变化约为-3.378kB，一阶峰的线宽随温度的变化规律约为4.256kB，与激子的声子伴线之间明显的差异证明了并不是传统的激子声子耦合产生的声子伴线。通过理论计算得出，激子极化子形成后主要局域在瓶颈区，该区域具有凹函数型的色散关系，显著改变了声子伴线的线型。 4.初步确定了机械化学抛光(CMP)过程对于GaN表面具有的氧化促进作用，以及该氧化层对同质外延表面形貌的影响，通过对酸处理过程的表面浸润性变化和氧化过程的观察和分析表明由于机械化学抛光(CMP)过程以及抛光后GaN表面的易氧化性形成的氧化层是GaN外延表面问题的主要原因。 5.外延制备出高效的同质蓝光LED，(002)面XRD扫描显示有-6级到+3级卫星峰，显示了很好的界面质量。结合变温与变功率PL光谱发光半宽，峰位移动以及激活能的分析得出同质LED相对于图形化蓝宝石衬底(PSS)LED具有较大的局域态作用，较小的极化场，因此具有更高的内量子效率。另外，制备出了LED芯片，通过拟合得出的内量子效率两者相比并没有明显差别，与PL结果具有明显不同，这说明LED的效率决定因素已经不再是量子阱的质量，而是载流子的输运过程。另外同质LED具有更大的可工作电流密度，这应该归功于GaN衬底良好的散热性能。此外，同质外延LED的反向漏电相对于PSSLED降低了一个量级以上，反映出GaN衬底低位错密度的优势。