论文部分内容阅读
Ga N基材料因其具有禁带宽度大、化学和热稳定性好、电子饱和漂移速度大和击穿电场强度大等特点广泛运用于功率器件、LD器件和LED器件。然而,Ga N基材料的外延生长工艺和器件结构依然需要进一步优化。本文利用金属有机气相沉积(MOCVD)方法,在蓝宝石(Al2O3)衬底上生长了Ga N基材料,研究了三维生长工艺对Ga N外延层晶体质量和性能的影响,并对其生长机理进行了探讨;同时,理论模拟与实验相结合研究了阱厚对In Ga N/Ga N多量子阱光学性能的影响及相关物理机制,具体的研究结果如下所述。利用MOCVD方法,分别通过改变生长过程中三维生长阶段的生长温度(1060℃-1080℃)和V/III比(1335-763),在蓝宝石衬底上生长了不同的Ga N外延层。利用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)、原子力显微镜(AFM)、光致发光光谱仪(PL)、霍尔测试仪(HALL)和拉曼光谱仪(Raman)分别对样品的位错密度、表面形貌、发光性质、电学性质和残余应力进行了分析。当三维生长温度分别为1060℃、1070℃和1080℃时,外延层刃位错密度分别为5.09×108/cm3、3.58×108/cm3和5.56×108/cm3,呈现先减小后增大的现象,而螺位错密度变化不显著,分别为1.06×108/cm3、0.98×108/cm3和1.01×108/cm3,同时外延层残余应力分别为0.86 GPa、0.81 GPa和0.65 GPa,呈现逐渐减小的趋势。当三维生长V/III比从1335逐渐减小到763时,外延层刃位错密度由5.93×108/cm3减小至3.32×108/cm3,而螺位错密度变化不显著;同时外延层发光强度逐渐增强,载流子浓度从8.31×1017/cm3减小至5.60×1016/cm3,而载流子迁移率从212 cm2/vs增加至267 cm2/vs。变温和变V/III比样品位错密度和性能的变化是由于三维生长温度和V/III比不同时,三维生长阶段岛状结构的长大和合并速率发生改变而导致的。在研究范围内经过优化后的三维生长温度和V/III比分别为1070℃和763。利用Si LENSe模拟软件对不同阱宽(1.5 nm、2.0 nm、2.5 nm、3.2 nm、4.0 nm和5.0 nm)In Ga N/Ga N多量子阱结构进行了PL模拟。在相同激发功率密度下,随着多量子阱阱厚从1.5 nm逐渐增加至5.0nm,阱层量子限制斯塔克效应增强,导致峰值波长发生红移。同一多量子阱结构,随着激发功率密度从1.4 W/cm2增加至100 W/cm2,光生载流子产生的与极化电场相反的屏蔽电场强度增加,阱层量子斯塔克效应减弱,导致峰值波长发生蓝移。此外,利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长了具有不同阱厚的(2.5 nm和3.2 nm)In Ga N/Ga N多量子阱结构,并利用PL系统研究了阱厚对In Ga N/Ga N多量子阱光学性能的影响规律。在相同激发功率密度下,当阱厚从2.5 nm增加到3.2 nm时,In Ga N/Ga N多量子阱结构峰值波长发生红移;同一样品随着激发功率密度从1.4 W/cm2增加至47.0 W/cm2,峰值波长发生蓝移,这与模拟计算结果相一致。