提高发光二极管中GaN材料质量的技术研究

分类号密级UDC编号20081800807058中国科学院研究生院博士学位论文提高发光二极管中GaN材料质量的技术研究马紫光指导教师陈弘研究员中国科学院物理研究所申请学位级别理学博士学科专业名称凝聚态物理论文提交日期2011年4月论文答辩日期2011年5月培养单位中国科学院物理研究所学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席秦国刚摘要I摘要以氮化镓（GaN）为主的III族氮化物等第三代半导体是研制微电子器件、光电子器件的新型化合物半导体材料，在光电子器件、高温大功率器件和高频微波器件等领域有着广阔的应用前景。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，如何获得高质量大尺寸的GaN外延薄膜对研究者来说仍然是一个巨大的挑战。GaN材料的获得主要是采用异质外延的方法生长在蓝宝石衬底上。为了减少异质外延过程中产生的大量缺陷，人们通常采用侧向外延技术（LEO）来获得高质量的GaN材料。不过传统的侧向外延技术有一些难以克服的弊端，诸如生长过程中的非原位工艺会给材料带来杂质污染，工艺复杂、生产成本高、外延时需要更厚的生长厚度等，影响了GaN材料的晶体质量和大规模应用。为此，本论文目标就是以方法简便为原则，探索无污染、低成本的提高GaN材料晶体质量的方法。在具体的工作中，我们系统研究了采用图形衬底技术、原位SiNx纳米掩膜技术等方法生长GaN薄膜，对薄膜的晶体质量、位错密度，以及对材料电学光学性质进行了表征。在此基础上，我们还在蓝宝石图形衬底上制备了发光二极管（LED）器件结构，并研究了发光效率的提升机制。主要内容分为以下几个部分：（1）蓝宝石图形衬底技术避免了生长过程中的非原位工艺，是一种有效的提高GaN晶体质量和器件性能的方法。我们系统研究了蓝宝石图形衬底的参数和形状对GaN薄膜晶体质量以及LED发光性能的影响。我们利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备在半球形蓝宝石图形衬底上生长了GaN外延材料并制备了LED器件结构。我们发现，在半球形蓝宝石图形衬底上利用传统两步生长法生长GaN薄膜时，较大的三维晶粒更有助于GaN晶体质量的提高。通过比较两种不同图形衬底生长的GaN材料的晶体质量，我们证明了半球形图形衬底对改善GaN材料质量作用明显，进一步的变温光荧光测试也证明了生长的蓝光LED结构发光强度有很大的提高。在实际的测量中，这种图形衬底对蓝光LED内量子效率的改变并无明显效果，但可有效改善光抽取效率。（2）我们利用原位沉积SiNx纳米掩膜的方法生长了具有极高晶体质量和极低位错密度的GaN薄膜。考虑到GaN薄膜在不同的生长阶段具有不同的位错行为，我们研究了SiNx的生长位置对位错的影响。结果表明，当SiNx生长在粗糙提高发光二极管中GaN材料质量的技术研究II层GaN表面时，不仅可以有效阻止刚形成的位错向上传播，而且更容易形成闭合的位错环，使穿透位错尽可能的减少。高分辨x射线衍射（HRXRD）和原子力显微镜（AFM）测量结果表明，利用这种方法生长的GaN薄膜的（1-102）衍射半峰宽只有223角秒，位错密度低于108量级，是目前已有报到中结果昀好的。（3）我们系统计算了SiNx纳米掩膜生长在不同位置时的GaN薄膜螺位错和刃位错的密度，并对薄膜的光学、电学性质进行了表征。我们发现SiNx掩膜的生长位置对GaN薄膜的应变大小基本没有影响。值得注意的是，插入层的位置的改变影响了薄膜中的本征载流子浓度，因此，采用这种生长方法对于控制GaN薄膜本征掺杂水平具有重要意义。关键词：蓝宝石图形衬底、氮化硅(SiNx)、氮化镓(GaN)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、位错密度ABSTRACTIIITheinvestigationonimprovingthequalityofGaNfilmasLEDbufferZiGuangMA(CondensedMatterPhysics)SupervisedbyProf.HongCHENandProf.Hai-QiangJIAABSTRACTThethirdgenerationsemiconductormaterials,includingGaNanditsrelatedalloys,areplayinganindispensableroleinfutureoptoelectronicandmicroelectronicdeviceapplications.Itstimulatedgreatinterestsintheresearchandapplicationofgettinglarge-areaepitaxialGaNfilms.ThelargedensityofthreadingdislocationsinGaNisstilloneofthemainchallengeshinderingthedevelopmentofnitride-basedoptoelectronicdevicesduetotheheteroepitaxialgrowthofGaNfilmsmainlyonsapphiresubstrates.Lateralepitaxialovergrowth(LEO)techniqueshaveprovedtobeeffectivetoreducethreading-dislocationdensitiesintheepitaxialGaNfilms.However,theseconventionalLEOmethodshavethesubstantialdifficultiessuchasunavoidablecontaminants,complicatedproceduresandhighcosts.Inthepresentdissertation,simplifiedtechnologyforimprovingGaNqualityhasbeeninvestigatedforcontaminantandcostreductions.(1)Theparameterandshapeofpatternedsapphiresubstrate(PSS)wassystematicallystudiedaccordingtotheirinfluenceonthequalityofGaNandtheefficiencyofLED.PSStechnologyavoidstheex-situoperationduringthegrowth.GaNmaterialandLEDstructurehavebeensuccessfullypreparedonhemispherePSSbyMetalorganicchemicalvapordeposition(MOCVD).Itisfoundthatanenhanced3D-crystallinegrainasthetemplateforGaNlateralovergrowthcanimprovethequalityofGaNepitaxialfilmssignificantly.ThequalityofGaNgrownonhemispherePSSwascharacterizedbyhigh-resolutionx-raydiffraction(HRXRD),atomicforcemicroscopy(AFM)andRamanscatteringspectra.TheresultsshowthatthequalityofGaNfilmsgrownonhemispherePSShasbeenimprovedcomparedwithGaNgrownonplanarsapphiresubstrate.Inaddition,blueLEDstructuregrownonhemisphere提高发光二极管中GaN材料质量的技术研究IVPSSwascharacterizedbyphotoluminescence.ThelightemissionintensityhasbeenpromotedbytheuseofhemispherePSS.However,theinternalquantumefficiencyofLEDshowsthesamevalueasLEDonplanarsapphiresubstrate.TheresultobtainedbyfittingwithArrheniusequationprovedthattheuseofsemi-spherePSSmainlyincreaseextractionefficiencyofLED.(2)Togrowhigh-qualityGaNfilmmoreeasily,themethodofinsituSiNxinterlayerwasemployed.GaNfilmsweregrownonsapphiresubstratesbyMOCVD.TheimpactofnanoporousSiNxinterlayergrowthpositiononhigh-qualityGaNepitaxialfilmwaselucidatedfromthebehaviorofdislocations.Thequalityofthesefilmswasinvestigatedbyusinghigh-resolutionX-raydiffraction,atomicforcemicroscopy,andcross-sectionaltransmissionelectronmicroscopy.ThebestqualityGaNfilmwasachievedwhenananoporousSiNxinterlayerwasgrownonaroughlayer,withthehigh-resolutionX-raydiffractionrockingcurvefullwidthathalfmaximumfor(1-102)reflectiondecreasingto223arcs,andthetotaldislocationdensityreducedtolessthan1.0×108cm-2.Apreferencefortheformationofhalf-loopstoreducethreadingdislocationswasobservedwhenaSiNxinterlayerwasgrownonaroughlayer.Agrowthmechanismisproposedtoexplainthispreference.(3)TheinfluenceofnanoporousSiNxinterlayergrowthpositionsonthepropertiesofhigh-qualityGaNepitaxialfilmshasbeeninvestigated.Thescrewandedgedislocationdensitieshavebeencalculated.TheopticalandelectricalpropertiesoftheGaNfilmshavealsobeencharacterizedbyRamanscatteringspectra,lowtemperaturephotoluminescencespectraandHallmeasurements,etc.ItisfoundthatthepositionoftheSiNxinterlayerhasnoimpactonthestrainofGaNfilms.However,theresidualcarrierconcentrationchangeswiththepositionoftheinterlayer.Thesignificanceofcontrollingthedopinglevelhasbeenmentioned.Keywords:patternedsapphiresubstrate(PSS),siliconnitride(SiNx),galli