GaN基光电器件材料生长方法研究

【摘要】III族氮化物半导体材料以其优异的特性正在发挥着越来越广泛的作用。以GaN基蓝光、绿光及深紫外LED为核心技术的半导体照明技术正在引领着一场新的产业革命。经过近十几年的发展,GaN基蓝光LED已成功实现商业化,在景观灯、背光源、照明灯领域都得到广泛应用。GaN基微波功率器件也逐渐进入商业应用。随着III族氮化物器件研究和应用的深入,GaN基光电子器件和微波功率器件都对材料性能提出了更高的要求。对于LED器件,为了提升增强量子效率、降低非发光复合、减少缺陷对光子的吸收,需要有高结晶质量、低缺陷密度材料的外延技术、高性能的p型掺杂技术和高效率、高均匀性的多量子阱结构制备技术的支持。对于微波功率器件,为提升器件击穿电压、提高功率密度并降低器件寄生效应,同样对高结晶质量、低缺陷密度的材料有迫切的需求。在上述需求背景下,本文对Ⅲ族氮化物半导体器件应用相关的关键问题进行了研究,研究内容主要包括基于蓝宝石衬底高质量GaN、AlN及其合金的生长工艺、高性能p型掺杂工艺、InGaN/GaN多量子阱结构制备及实现上述技术的MOCVD设备。本文总结了作者对上述研究工作和认识,主要贡献和成果如下:1、MOCVD系统研制参与研制了自主知识产权的MOCVD系统,提出了恒流配气系统的方法及配套工艺,在应用过程中对其配气系统进行了改进。2、GaN类材料的外延技术研究对GaN类材料的外延技术和工艺进行了系统的研究,本文提出,在具有大晶格失配的GaN、AIN和AlGaN材料的外延生长中,脉冲式表面增强反应对金属原子表面迁移特性的改善,基于应力调制的超晶格结构和自成核层生长就开始设计的应力匹配和调制技术,是获得高结晶质量、低缺陷密度外延材料的关键因素。本文以应力匹配为基本手段对GaN类材料的外延结构和工艺进行了优化。对GaN材料外延生长过程的各个阶段进行了微观形貌的分析,得到了各个生长阶段影响材料整体结晶质量的关键因素。给出了超薄AlN成核层的优化工艺和缓冲层退火的方法,该方法可在显著提高GaN外延材料的结晶质量。对AN外延材料实际生长过程中的困难进行了分析,提出了一种新的脉冲式表面增强反应的方法,并对其关键工艺因素进行了优化,获得了XRD(002)面摇摆曲线半高宽38arcsec,(102)面摇摆曲线半高宽198arcsec的高结晶质量A1N外延材料,为目前已报道的最好结果。通过对不同Al组分AlGaN材料表面形貌的分析,确定了AlGaN材料高质量外延工艺中应力匹配的关键因素。提出了基于应力调制的超晶格插入层方法,通过对超晶格插入层结构和组分的优化,获得了不同组分的AlGaN外延材料的优化结构和工艺,制备出了不同Al组分的高结晶质量、低缺陷密度的AlGaN外延材料。3、GaN类材料的p型掺杂技术研究对于p型GaN材料的制备,通过系统的实验和分析,对制备p型材料的生长温度、Ga/Mg摩尔比和退火工艺进行了优化。并采用了大气退火工艺,获得了电阻率小于1Ω-·cm的p-GaN外延材料。对于p-AlGaN材料的制备,在获得的低缺陷密度AlGaN材料的基础上,采用均匀掺杂方法,获得了电阻率为4.37Ω-·cm的p-Al0.25Ga0.75N材料。以脉冲式表面增强反应MOCVD法为基础,提出了用于Mgδ掺杂的脉冲式生长方法,并对脉冲式δ掺杂制备p-AlGaN材料的工艺进行了研究,获得了电阻率为1.92Q·cm的p-Al0.25Ga0.75N材料。4、GaN基多量子阱结构生长研究为解决In组分的有效掺入和工艺稳定性的问题,给出了具有势阱限制层和量子阱退火工艺的多量子阱结构和工艺,获得了具有生长温度钝化特点的量子阱结构和制备工艺,实现了在高In掺入效率、高波长稳定性的制备工艺。并在一定程度上实现了梯形量子阱结构,可对消除电子和空穴波函数的实空间分离具有一定的作用,有效提高器件的发光效率。该工艺对商用LED器件的性能稳定性和成品率提高有极大的价值。为解决因MOCVD系统配气系统波动和工艺温度波动引起的量子阱黄带发光过强和片上波长均匀性低的问题,文本在自产的MOCVD系统上设计并实现了恒流配气的MO源供应模块和配套工艺,实现了高片上波长均匀性的生长模式,为高成品率的LED外延片制备奠定了基础。为解决极化效应引起的载流子实空间分离造成的发光复合效率低的问题,本文设计并实现了势垒掺In的InGaN/GaN多量子阱结构,通过对势垒生长阶段TMIn流量参数的优化,获得了优化工艺。器件测试结果表明,势垒掺In的优化工艺,可将器件的发光效率提升15.61%,具有良好的效果。自2000年开始进行GaN基材料和器件的研究以来,形成的高亮度蓝光LED器件制造技术已经在2007年实现了产业化转移,以本文技术为基础建设了年产LED外延片10万片,管芯25亿只的LED外延片和管芯制造企业。
【作者】李培咸；
【导师】郝跃；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2011，博士
【关键词】MOCVD；氮化铝；铝镓氮；铟镓氮；掺杂；发光二极管；

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