论文部分内容阅读
Ⅲ族氮化物半导体有着直接宽带隙、高电子漂移速度、高热导率、高击穿电压、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等优良性能，在照明领域发挥着广泛高效的作用，其中代表材料便是GaN。GaN基紫外LED作为研究领域热点和市场关注的焦点正引领着一场照明革命，是实现当代半导体照明的关键所在。以目前的技术手段和生长工艺来看，限制GaN紫外LED发展的重要因素便是其发光效率，发光性能无法迎合巨大的市场需求，更不能从根本上完全取代传统紫外光源。 本文以提高溅射AlN衬底上GaN紫外LED的发光效率为目标，从材料生长和器件结构两方面开展深入系统的研究。以LED与紫外LED的介绍和研究进展为开端，随后详细介绍了GaN系列材料的物理化学性，同时对外延工艺MOCVD技术加以诠释，深入系统地展开外延材料的表征手段，如XRD、PL、EL和SEM。在实验设计方面，采用溅射AlN衬底上外延生长高质量的GaN材料，通过对量子阱的结内部构的设计和生长工艺的调整，以实现GaN基紫外LED发光效率的提升。本论文主要研究内容如下： （1）设计对比实验研究溅射AlN衬底的优势。选取溅射AlN衬底样品与未外延AlN薄膜层的样品，通过EL与SEM测试，表征样品的光电性能和结晶质量。测试结果表明溅射AlN衬底的外延芯片结晶质量相对较好，有着较好的发光效率，后续实验均采用该种工艺。 （2）研究InGaN/AlGaN量子阱结构调整对于溅射衬底上紫外LED发光效率的影响。设计针对InGaN/AlGaN量子阱结构调整的三个序列实验：量子阱厚度调整、垒层Al组分以及量子阱温度和In流量配合调整。这三个序列实验均使用MOCVD工艺生长的溅射AlN衬底上紫外LED实验材料，在保证365nm左右波段的前提下进行测试和分析。第一个序列实验中量子阱的厚度在基础工艺厚度2.5nm上进行调整：厚度2nm和1.8nm，与基础工艺的紫外LED的发光效率进行对比，可以发现随着量子阱厚度的减少亮度逐渐增加，并且在垒层厚度为1.8nm处样品发光强度最优；第二个序列实验是对垒层Al组分进行调整，分别是改变掺杂Al为5%、8%和10%。根据测试分析发现随着Al组分的提高，实验样品的发光强度呈现出先增加后降低的趋势，说明发光特性最优Al组分是8%；在保证发光波长稳定的条件下，第三个序列实验是调整量子阱生长条件，对比于基础工艺中温度和In流量，设计两组改进实验。根据测试结果，发现当量子阱In流量下调至630×0.12sccm，温度降低5℃的时候，样品发光效率最佳。 （3）设计量子阱综合调整实验，选取前文三个实验中最优的外延结构和生长条件进行材料外延，并通过表征手段进行分析与研究。根据测试结果，我们发现该种外延芯片的发光效率达到实验预期效果。