硅衬底GaN基蓝光LED材料生长及器件研制

论文摘要

宽禁带Ⅲ—Ⅴ族氮化物半导体材料在短波长发光器件、短波长激光器、光探测器以及高温、高频和大功率电子器件等方面有着广泛的应用前景而备受关注，发展十分迅速。由于GaN体单晶难于制备，目前商品化的GaN器件材料都是生长在蓝宝石衬底上或SiC衬底上，但蓝宝石的绝缘性及高硬度使器件制作更加复杂，而SiC价格很高，这都使器件的生产成本上升。相对蓝宝石和SiC而言，Si材料具有低成本、大面积、高质量、导电、导热性能好等优点，且硅工艺技术成熟，Si衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成，因此Si作为GaN薄膜衬底具有重大的应用价值。 本文采用MOCVD系统，围绕Si衬底上GaN材料生长及LED器件的制作展开研究。一方面根据Si衬底上生长GaN的难点分别提出了相应的生长方法，另一方面是根据Si衬底的特点进行器件制备研究。通过对材料及器件性能的分析，取得了一些有创新的成果： 1、研究了生长AlN缓冲层前在Si(111)衬底上铺Al的三种方式对GaN外延材料的影响。此项研究表明，Al在Si衬底上的堆积情况对GaN外延层的质量及表面形貌有很大的影响，若堆积不好，会使外延层的质量及表面形貌变差。DCXRD和TEM测试表明，用反应室原位铺Al的方式在Si(111)衬底铺Al，可以有效地抑制SiN_x的形成，而且GaN材料表面平整，结晶质量好。 2、研究了AlN缓冲层生长厚度对GaN外延层的影响。实验结果表明：AlN缓冲层厚度有一合适范围，AlN缓冲层太薄达不到阻挡Ga滴回熔的作用，太厚达不到消除外延层部分应力的作用。AlN缓冲层厚度对外延层质量的影响表明：Si衬底上铺Al只能在开始生长AlN缓冲层的瞬间起阻挡SiNx形成的作用，真正在生长过程中起阻挡SiNx形成及Ga滴回熔的还是AlN缓冲层。 3、把本实验室在蓝宝石衬底上使用的偏离化学计量比的高温GaN缓冲层的思想用于Si(111)衬底GaN外延膜生长，大大提高GaN／Si外延层的结晶质量。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 Ⅲ族氮化物材料特性及生长概述
• 1.1 引言
• 1.2 Ⅲ族氮化物的基本结构与性质
• 1.2.1 GaN的基本结构
• 1.2.2 Ⅲ族氮化物的能带结构
• 1.3 GaN基器件应用
• 1.3.1 光学器件
• 1.3.2 电学器件
• 1.4 氮化物材料生长
• 1.4.1 异质外延生长技术
• 1.4.2 异质外延生长衬底材料的选择
• 1.5 Si衬底GaN基材料及器件的研究进展
• 1.5.1 Si衬底GaN基材料的研究进展
• 1.5.2 Si衬底LED器件研究进展
• 1.5.3 si衬底GaN基电子器件的研究进展
• 1.6 本论文工作的内容与安排
• 参考文献
• 第二章 氮化物MOCVD系统、生长工艺及其特性表征
• 2.1 MOCVD生长技术
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 MOCVD技术的特点
• 2.2 衬底的选择
• 2.3 本论文中生长氮化物所用的源
• 2.4 硅衬底氮化物外延生长工艺
• 2.5 材料表征
• 2.5.1 X射线双晶衍射技术（DCXRD）
• 2.5.2 表面形貌分析
• 2.5.3 光致发光
• 2.5.4 透射电镜技术（TEM）
• 参考文献
• 第三章 硅衬底GaN薄膜外延生长及特性研究
• 3.1 硅衬底GaN薄膜外延生长
• x的形成'>3.1.1 抑制SiN_x的形成
• 3.1.2 缓冲层生长条件
• 3.1.3 GaN外延层在AIN缓冲层上的生长
• 3.1.4 GaN样品发光特性分析
• 3.2 石墨基座包覆材料对GaN外延层性能影响
• 3.3 小结
• 参考文献
• 第四章 硅衬底上GaN基LED外延片生长及其器件研究
• 4.1 Si（111）衬底GaN基LED外延片生长
• 4.2 Si（111）衬底GaN基LED外延片性能测试
• 4.3 芯片制作过程
• 4.4 器件结果
• 4.7 小结
• 参考文献
• 第五章 硅衬底GaN基LED可靠性研究
• 5.1 引言
• 5.2 Si衬底GaN基LED老化机制研究
• 5.3 小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 博士生期间发表的论文
• 致谢