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随着氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)应用越发广泛，对器件性能的要求也越来越高，需要我们制备出高质量的GaN外延薄膜以提升LED器件的光学性能和电学性能。当前我们生长GaN材料主要是蓝宝石衬底上异质外延。由于GaN材料与蓝宝石之间的晶格失配较大，因此在外延层中会产生较大的扩展缺陷，影响晶体质量。采用横向外延生长技术是提高晶体质量的一种有效方法，但它需要在GaN生长过程中进行额外的制程工艺，导致其较高的生产成本和效率低下。目前，已经提出由横向外延过生长演变而来的技术，在提高晶体质量的同时可以减少额外的外部操作，例如图形化蓝宝石衬底(PSS)，原位SiNx插入层技术。
另一方面，蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配不仅导致扩展缺陷的产生，还会导致GaN外延层中应力的增加，激发量子限制斯塔克效应，使得光性能降低。解决这种问题的最有效方式是生长能够并入高铟组分的半极性(11-22)面GaN。主要的工作与结论如下：
1.我们在PSS的基础上设计了SiO2掩模的图案化蓝宝石衬底(SMPSS)，并在其上进行金属有机化学气相沉积而生长出具有超低穿透位错(TD)密度的c面GaN外延层。这些图案表现为在c面蓝宝石周围周期性突出一层薄薄的蓝宝石基座，在其上沉积微米级SiO2锥形。截面透射电子显微镜结果表明，在SMPSS上生长的GaN膜具有8.5×106cm-2的超低TD密度，比PSS生长的GaN小一个数量级。
2.我们在标准原位沉积SiNx插入层的基础上设计一种单SiNx插入层的方法，在m面蓝宝石衬底上生长具有低缺陷密度的半极性(11-22)GaN薄膜。半极性GaN膜的X射线衍射摇摆曲线的线宽随着SiNx沉积时间的增加而减小。横截面透射电子显微镜分析证实，该方法极大地降低了半极性GaN膜的TD密度，降低至7×108cm-2，这比常规沉积的GaN薄膜小两个数量级。
3.我们在标准原位沉积SiNx插入层的基础上还设计一种双SiNx插入层的方法，在m面蓝宝石衬底上生长缺陷密度显著降低的半极性(11-22)GaN薄膜。X射线摇摆曲线测量结果表明，半极性GaN膜沿[11-23]和[10-10]方向均具有相对较低的半高宽，为0.119o。此外，透射电子显微镜分析证实，半极性GaN膜的TD密度可显著降低，降低至6×108cm-2，这比常规沉积的GaN薄膜要小两个数量级。
另一方面，蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配不仅导致扩展缺陷的产生，还会导致GaN外延层中应力的增加，激发量子限制斯塔克效应，使得光性能降低。解决这种问题的最有效方式是生长能够并入高铟组分的半极性(11-22)面GaN。主要的工作与结论如下：
1.我们在PSS的基础上设计了SiO2掩模的图案化蓝宝石衬底(SMPSS)，并在其上进行金属有机化学气相沉积而生长出具有超低穿透位错(TD)密度的c面GaN外延层。这些图案表现为在c面蓝宝石周围周期性突出一层薄薄的蓝宝石基座，在其上沉积微米级SiO2锥形。截面透射电子显微镜结果表明，在SMPSS上生长的GaN膜具有8.5×106cm-2的超低TD密度，比PSS生长的GaN小一个数量级。
2.我们在标准原位沉积SiNx插入层的基础上设计一种单SiNx插入层的方法，在m面蓝宝石衬底上生长具有低缺陷密度的半极性(11-22)GaN薄膜。半极性GaN膜的X射线衍射摇摆曲线的线宽随着SiNx沉积时间的增加而减小。横截面透射电子显微镜分析证实，该方法极大地降低了半极性GaN膜的TD密度，降低至7×108cm-2，这比常规沉积的GaN薄膜小两个数量级。
3.我们在标准原位沉积SiNx插入层的基础上还设计一种双SiNx插入层的方法，在m面蓝宝石衬底上生长缺陷密度显著降低的半极性(11-22)GaN薄膜。X射线摇摆曲线测量结果表明，半极性GaN膜沿[11-23]和[10-10]方向均具有相对较低的半高宽，为0.119o。此外，透射电子显微镜分析证实，半极性GaN膜的TD密度可显著降低，降低至6×108cm-2，这比常规沉积的GaN薄膜要小两个数量级。