AlN成核层对近紫外LED外延生长的影响

在图形化蓝宝石衬底上制备了InGaN/AlGaN近紫外发光二极管（LED）。采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法外延生长了不同厚度的AlN成核层,系统研究了AlN成核层厚度对外延层质量和InGaN/AlGaN近紫外LED（波长395 nm）光电性能的影响。使用透射电子显微镜对外延层的截面结构及位错进行表征。结果表明,随着AlN成核层厚度的增加,位错密度不断减小,且量子阱表面V形坑尺寸逐渐减小。LED器件的光学性能和电学性能随着V形坑尺寸的减小而提高,归一化外量子效率最大值由0.55增至1;在电流350 m A时,正向电压从3.54 V降至3.45 V,又升高至3.60 V。当AlN成核层厚度超过临界值后,位错密度不降反升,量子阱表面的V形坑密度增加,导致量子阱的有效发光面积减小,外延层质量下降。InGaN/AlGaN近紫外LED的光电性能与AlN成核层厚度密切相关,最佳AlN成核层厚度为50.22 nm。

AlN成核层厚度对Si上外延GaN的影响

采用低温AlN成核层,在Si(111)衬底上,用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法生长了GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射(XRD)、椭圆偏振光谱仪和原子力显微镜(AFM)研究了AlN成核层的厚度对GaN外延层的影响。对AlN的测试表明,AlN的表面粗糙度(RMS)随着厚度增加而变大。对GaN的测试表明,所有GaN样品在垂直方向处于压应变状态,并且随AlN厚度增加而略有减弱。GaN的(0002)_ω扫描的峰值半宽(FWHM)随着AlN成核层厚度增加而略有升高,GaN(10-12)_ω扫描的FWHM随着厚度增加而有所下降。(10-12)_ω扫描的FWHM与GaN的刃型穿透位错密度相关,A1N成核层的厚度较大时会降低刃型穿透位错密度,并减弱c轴方向的压应变状态。

预成核对蓝宝石衬底上生长氮化镓低温层的影响

金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术以气相源的热分解反应作为基础,其适合规模化生产,是现今生长半导体材料的主要制备方式。在MOCVD生长GaN的过程中,衬底表面初始条件直接影响到材料成核与生长,因此对于外延生长非常关键。本论文研究了GaN外延生长过程中蓝宝石衬底的表面预成核工艺对GaN低温成核的影响。通过对比未处理样品和高温预通TMGa、高温预通TMGa和NH3预成核以及高温预通TMAl和NH3预成核的样品上生长的低温层退火后的形貌,我们发现高温预成核形成的成核点有利于吸引其周围气相源并入,并降低成核岛的密度。结合光学实时反射率监测气相沉积中晶粒的成核过程,进一步横向比较可发现由于高温时AlN更稳定,预成核的效果更好,对退火以后GaN小岛形貌影响更加显著。X射线衍射表征成核层的晶体质量,发现预成核工艺可将退火后成核层的(002)衍射峰半高宽从1636 arcsec降低到最低1088 arcsec。通过对比分析,我们认为高温预成核工艺的优点可能来源于其可以改善成核初期小岛的晶向。这些研究为进一步提高GaN外延质量提供了新的工艺思路。

正晶向SiC衬底上表面光滑的N极性GaN薄膜材料的生长

采用MOCVD技术在101.6 mm(4英寸)正晶向半绝缘C面SiC衬底上生长了厚度为1μm的GaN缓冲层。通过深入研究不同AlN成核层上生长的GaN缓冲层的性质,揭示了正晶向SiC衬底上氮极性GaN的生长机制,发现成核层表面AlN岛的密度是决定缓冲层表面形貌的重要参数,对后续GaN的成核以及GaN岛间的合并具有显著影响。通过在AlN成核层外延期间引入N2作为载气并且以脉冲方式供应铝源,研制的成核层表面成核岛尺寸小且致密性高,有利于促进GaN成核岛之间的横向合并,并抑制GaN缓冲层的岛状生长模式,从而获得了表面光滑的N极性GaN薄膜材料,原子力显微镜20μm×20μm扫描范围下的均方根(rms)粗糙度值为1.5 nm。此外,在表面平滑的GaN薄膜上生长的GaN/AlGaN异质结的电子输运特性也同步得到提升,这有利于N极性GaN材料的微波应用。