论文摘要
宽禁带Ⅲ-Ⅴ族GaN基半导体材料在发光二极管、激光器、光电探测器以及高温、高频和大功率电子器件等方面有着诱人的应用前景和巨大的市场需求,是近年来光电子材料领域研究的热门课题。特别是发光波段在400-410nm的GaN基蓝紫光激光器是高密度光存储系统中最有希望的光源,因此制作蓝紫光短波长的激光器一直是人们研究的焦点,但GaN基激光器材料的生长和器件的制备方面还存在一些困难,特别是GaN基材料的P型掺杂、厚且无裂的AlGaN材料生长、高质量的P型GaN欧姆接触等。本文针对以上一些问题并结合GaN基激光器的研制工作开展了一系列的相关的研究,比如:一维光场模拟、相关材料的生长和低P型欧姆接触的研究。主要包括以下内容:1)采用传输矩阵的方法对GaN基激光器的光场分布进行一维理论模拟,并分析了各层材料及结构对GaN基激光器光场分布的影响。模拟发现:当增加N型限制层AlxGa1-xN/GaN SLS的厚度和Al组分,或者在N型限制层较薄的情况下适当增加波导层厚度时,都能抑制反波导行为;而在保证质量的情况下,N型接触层的厚度则是越薄越好。值得一提的是,研究中首次发现,当波导层采用InGaN或InGaN/GaN SLS结构时,对光的限制能力将会明显提高,相应地阈值电流密度会降低。以获得大的光场限制因子和低的阈值电流密度为目标,优化出了各层材料参数:分别取N和P型接触层GaN的厚度为2000nm和200nm情况下,N型限制层AlxGa1-xN/GaN SLS厚度600nm（120对超晶格）,Al组分为0.22;N型波导层GaN厚度90nm,有源区In0.14Ga0.86N/GaN量子阱数为2;P型电子阻挡层Al0.2Ga0.8N厚度10nm;P型波导层GaN厚度70nm;P型限制层AlxGa1-xN/GaN SLS厚度300nm（60对超晶格）,Al组分为0.22。2)研究了TMAl的流量和生长温度对AlGaN材料的的影响,重点研究如何获得厚且无裂AlGaN材料,本文采用AlGaN/GaN超晶格代替厚的AlGaN的生长,获得厚且无裂的限制层材料。3)理论分析InGaN/GaN MQW有源区发射波长与阱和垒的组分、厚度关系,发现通过适当组合阱和垒的In组分与厚度,可以调整发射波长。并通过生长LED结构来优化有源区,改变有源区阱的生长温度,发现其温度变化与发射波长呈线性关系,由此可以通过调节阱温,获得特定发射波长,并且还讨论了变温生长对InGaN/GaN MQW光学特性的影响。4)研究了获得p-GaN欧姆接触的低接触电阻方法。①对p-GaN表面预处理方法和合金化的时间、温度、氛围进行了优化。②在对该工艺优化的基础上,对比分析了两种不同材料的欧姆接触,即体材料p-GaN和采用p-InGaN/p-GaN超晶格薄层为顶层的p型材料。研究发现,在p-GaN上直接沉积一层p-InGaN/GaN超晶格薄层材料能够有效降低欧姆接触电阻,并在优化接触工艺为550℃、氧气氛围下合金30分钟的条件下,获得较低的比接触电阻率1.99×10-4Ωcm2。③对p-InGaN/p-GaN超晶格薄层形成低阻欧姆接触的原因进行了理论分析,首次研究了超晶格薄层中p-GaN层温度变化对欧姆接触的影响,以及超晶格层生长过程中以p-GaN或者p-InGaN作为终止层时对欧姆接触性能的影响。发现在较低温度下生长p-GaN有利于欧姆接触的形成,而值得注意的是,以p-InGaN作为终止层可以获得更低的欧姆接触,针对此结果,文中进行了较为深入的分析。④应用应变平衡理论,首次提出用p-InGaN/p-AlGaN超晶格代替p-InGaN/p-GaN超晶格层做p-GaN的顶层,并获得更低的欧姆接触电阻,其比接触电阻率为:7.27×10-5Ω.cm2。并从能带和空穴电荷密度两个方面分析接触电阻降低的原因。最后把应变补偿效应的超晶格材料应用在发光二极管（LED）上,相对常规LED而言,获得较低的工作电压。
论文目录
摘要Abstract第一章 绪论1.1: 课题研究背景1.2: GaN基蓝紫光激光器的发展过程1.2.1: Nichia化学公司GaN基激光器研究发展史1.2.2: 世界上其它公司和研究机构的研究情况1.3: GaN基半导体光激光器的应用1.3.1: 蓝紫光激光器在下一代光盘产业（DVD）中的应用1.3.2: GaN基激光器在其它方面的应用1.4: 生长和制作GaN基激光器存在的问题1.5: 本论文主要工作和创新点参考文献第二章 GaN激光器一维光场模拟2.1: GaN基材料2.1.1: Ⅲ族氮化物材料的性质2.1.2: GaN基材料的生长2.2: 介质平板波导理论2.2.1: 波动方程2.2.2: 电学常数和光学常数2.2.3: 电磁辐射的TE模和TM模2.3: 激光器一维光场模拟的理论基础2.3.1: 传输矩阵法求解多层介质平板波导2.3.2: 光场限制因子2.3.3: 半导体激光器的远场分布和远场垂直发散角2.3.4: 半导体折射率的各种理论模型2.4: AlGaN/GaN/InGaN SCH MQW LD的一维光场模拟2.4.1: 采用的结构2.4.2: GaN、AlGaN和InGaN折射率的确定2.4.3: 阈值电流密度采用的公式2.4.4: 各层材料的参数对一维光场分布的影响及各层参数的优化2.5: 结构参数与优化的结果2.6: 本章小结参考文献第三章 AlGaN的生长和材料表征3.1: 引言3.2: AlGaN的生长3.2.1: MOCVD在位监测3.2.2: TMAl流量变化对AlGaN薄膜质量的影响3.2.3: 生长温度对AlGaN薄膜质量的影响3.2.4: AlGaN/GaN超晶格层的生长3.3: 材料表征方法3.4: 本章小节参考文献第四章 InGaN/GaN多量子阱波长的设计及生长研究4.1: InGaN/GaN多量子阱激光器的发射波长设计4.1.1: InGaN的压电极化效应4.1.2: 量子阱中导带和价带分立能级ECl和Ehh1的计算4.1.3: 发射波长与阱的组分、厚度及其垒的组分和厚度的关系4.2: InGaN/GaN多量子阱材料的生长4.2.1: InGaN/GaN多量子阱生长的研究情况4.2.3: 阱的温度变化对InGaN/GaN多量子阱的影响4.2.3.1: 实验过程4.2.3.2: 结果分析与讨论4.3: 本章小结参考文献第五章 低P型GaN欧姆接触电阻的研究5.1: P型GaN欧姆接触的研究情况5.2: 欧姆接触形成机理5.2.1: 金属（?）半导体接触5.2.2: 欧姆接触形成的机制5.3: 接触电阻率的测量原理和方法5.3.1 比接触电阻的数学定义ρc的测量方法'>5.3.2: 比接触电阻率ρc的测量方法5.3.3: CTLM方法测量欧姆比接触电阻的基本原理5.4: P型欧姆接触的制备流程5.4.1: 化学清洗和表面预处理5.4.2: 光刻5.4.3: 电子束蒸发金属层（Ni/Au）5.4.4: 剥离电极5.4.5: 合金化形成欧姆接触5.5: 应变p-InGaN/p-GaN超晶格薄层作顶层获得低阻欧姆接触电阻的研究5.5.1: 引言5.5.2: 实验过程5.5.3: 测试结果与分析5.5.3.1: P型GaN欧姆接触工艺的优化5.5.3.2: A、B、C三种结构样品的欧姆接触的I-V特性比较5.5.4: 结论5.6: 用应变补偿和应变极化效应的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层作顶层获得更低的欧姆接触电阻的研究5.6.1: 引言5.6.2: 理论分析与实验过程5.6.3: 结果分析5.6.4: 结论5.7: 低工作电压的发光二级管（LED）的研制5.7.1: GaN基LED材料的生长和芯片制作过程5.7.2: LED器件特性分析5.8: 本章小结参考文献第六章 工作总结和展望附录 博士期间发表论文及申请专利致谢
相关论文文献
标签：基蓝紫光激光器论文; 多量子阱论文; 超晶格论文; 应变补偿论文; 应变极化效应论文; 型欧姆接触论文;
