Si基LED材料位错与器件钝化研究

论文摘要

相对于蓝宝石和SiC而言,Si衬底与GaN薄膜之间存在着更大的晶格失配和热失配,Si衬底GaN基LED外延膜生长技术和器件的稳定性面临着更大的挑战。本文就SiN钝化膜对Si衬底GaN基LED光电性能的影响及Si衬底GaN基LED外延膜位错表征两方面做了些研究,获得的主要研究成果有:1、首次系统的研究了H等离子体对Si衬底GaN基LED反向电压及开启电压的影响。不同气体预处理实验、退火实验和温度实验等充分证明:PECVD法生长SiN过程中,有一定量的H扩散进p-GaN的侧壁,与Mg形成络合物,降低了p-GaN侧壁附近的导电率,减少了LED工作过程中侧壁附近缺陷的扩展,从而提高了芯片老化后的反向电压。另外、H-Mg络合物在GaN基LED中形成深能级,提高了小电压下电子的跃迁的几率,从而降低了Si衬底GaN基LED的开启电压。2、致密的SiN钝化膜给Si衬底GaN基LED施予了压应力作用,阻止了老化过程中芯片压电场向不利方向转变,从而减小了Si衬底GaN基LED老化后的光衰。SiN钝化膜有利于降低GaN基LED的光衰,在国内外尚没有报导过。3、XRD实验拟合数据显示:本实验室生长的Si衬底GaN基LED外延膜（样品A）螺旋位错密度约为2.77x108cm-2,刃位错密度约为2.23×109cm-2,这一数值与商业化的蓝宝石、SiC基LED位错密度处于同一数量级,表明实验用的Si基GaN膜（样品A）处于商业实用水平。用AFM对Si衬底GaN基LED外延膜表面缺陷进行了较为系统的表征,测试得到位错露头、孔洞等缺陷的孔径、孔深和密度等数据,较好的反映了外延膜表面的结晶质量。4、首次用H3PO4腐蚀法研究了Si衬底GaN基蓝、绿光LED中p-GaN外延膜的位错密度,按照大孔径腐蚀坑对应着螺旋及混合位错,小孔径腐蚀坑对应着刃位错的理论,发现实验用的Si衬底GaN基LED外延膜样品中,刃位错密度约比螺旋位错高出1-2个数量级;另外,相对于绿光外延膜来说,蓝光外延膜有更高密度的螺旋位错和较低密度的刃位错。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 综述
• 1.1 引言
• 1.2 GaN基LED基本结构
• 1.3 抑制GaN器件性能发展的原因及相应解决方法
• 1.3.1 内量子效率
• 1.3.2 提取效率
• 1.4 GaN基LED的市场应用现状及存在的问题
• 1.5 本论文的研究内容和行文安排
• 参考文献
• 第2章 PECVD生长SiN钝化膜对Si衬底GaN基LED光电性能影响的研究
• 2.1 引言
• 2.2 综述
• 2.2.1 钝化膜的发展史
• 2钝化膜的异同'>2.2.2 SiN与SiO₂钝化膜的异同
• 2.2.3 SiN钝化膜常用生长的方法及设备
• 2.2.4 SiN钝化膜在GaN材料中的研究现状
• 2.3 生长参数与薄膜生长厚度及腐蚀速率间的对应关系
• 2.3.1 实验用的PECVD概述
• 2.3.2 实验用的芯片概述
• 2.3.3 PECVD各参数与膜生长时间的对应关系
• 2.4 钝化对电学性能的影响
• r的影响'>2.4.1 钝化对反向电压V_r的影响
• 2.4.2 钝化对开启电压VF1的影响
• 2.4.3 SiN钝化膜对Si衬底GaN基LED抗静电能力的影响
• 2.4.4 小结
• 2.5 钝化对光学性能的影响
• 2.5.1 钝化膜对光输出的影响
• 2.5.2 钝化膜对光衰的影响
• 2.5.3 小结
• 2.6 总结
• 参考文献
• 第3章 Si衬底GaN基LED外延膜位错的研究
• 3.1 引言
• 3.2 位错对器件发光的影响
• 3.3 位错的表征方法综述
• 3.3.1 AFM对位错的观察
• 3.3.2 X射线双晶衍射技术
• 3.3.3 化学浸蚀法
• 3.4 XRD对Si衬底GaN基LED外延膜位错密度的表征
• 3.5 AFM对Si衬底GaN薄膜材料的表征
• 3.6 化学腐蚀法对Si衬底GaN薄膜材料位错密度的表征
• 3.6.1 实验
• 3.6.2 实验结论
• 3.6.3 小结
• 3.7 总结
• 参考文献
• 第4章 总结
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表的论文