论文部分内容阅读
GaN及其化合物(Al,Ga,In)N材料为直接带隙半导体,带隙从0.64eV(InN)到6.2eV(AIN)宽的范围内连续可调,波长可以涵盖从红外到紫外一个很宽的范围,在全色显示器、高密度光学存贮相干源、照明器件、紫外探测器等方面有着广泛的应用。由于GaN极高的熔点和饱和蒸气压,单晶GaN衬底的制备非常困难,通常的GaN外延都在异质衬底上进行。SiC衬底与GaN的晶格失配相对较小,具有优良的导电性能和导热性,并且与GaN有着相同的解理面,是一个理想的异质外延衬底。但SiC衬底表面会覆盖一层氧化膜,且GaN与SiC衬底间3.4%的晶格失配和巨大的热失配会在GaN外延膜中引入大量的位错缺陷和裂纹,影响GaN薄膜的质量。本文针对以上的难点问题,在SiC衬底上外延生长GaN方面开展了一系列的研究。主要利用Thomos Swan的MOCVD系统,研究了衬底原位预处理和原位SiNx插入层对GaN薄膜性质的影响并讨论了其形成的机制以及N面GaN的生长,在此基础上制备了垂直结构的Ga面和N面GaN基LED。研究的具体内容如下：在MOCVD系统中,原创性的在MOCVD系统中采用SiHH4对SiC衬底进行外延生长前的原位预处理。SiHH4可以与氧化层反应生成可挥发的SiO,并带来Si-H键。通过控制处理时间,衬底表面可呈现均匀的Si-H键终端状态。表面预处理对后续生长的GaN性质有着重要的影响。在MOCVD系统中采用H2对SiC衬底进行原位预处理,短时间的H2处理导致衬底的表面形成了一些局部化的Si-H键的“孔”和大量的连续Si-O键“掩膜”,后续的初始外延类似于侧向外延生长,从而提高了GaN外延膜的质量。采用原位SiNx插入层在SiC衬底上制备GaN厚膜,SiNx插入层可以有效的降低位错密度和弛豫应力,最终取得超过5μm厚的高质量无裂纹的n型GaN外延膜,在此基础上制备了垂直结构的LED, LED具有非常好的界面陡峭性,受到局域化的影响,变温PL谱的峰位呈现s型的变化趋势,并给出了相关机理说明。利用MOCVD系统在C面SiC衬底上制备了N面GaN外延膜,研究了在C面SiC衬底上外延生长N面GaN的基本性质。利用热磷酸溶液对N面GaN进行腐蚀,在样品表面形成了大量的Ga空位,随着腐蚀时间的增加,室温PL谱中产生了黄带,表明黄带来源于Ga空位。制备了N面垂直结构LED,在650mA的大电流下依然探测到有效的发光。