（材料物理与化学专业论文）si衬底gan基同侧结构蓝光led电致发光特性研究.pdf

硕士论文 s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 摘要 近几年来，在s i 衬底上生长g a n 取得了很大的进展，有少数几家研究组报 道在s i 衬底上制各出了g a n 基发光器件。但对其l e d 器件性能的研究并未深 入。其发光层i n g a n 量子阱内来自于材料本身自发极化与应力诱导的压电极化 而产生的电场显著影响氮化物材料的光学电学特性。许多人通过不同实验和理论 方法来研究蓝宝石衬底i n g a n i o a n 多量子阱内的极化场，但这种极化电场很难 直接测量与计算。本论文比较系统地研究s i 衬底g a n 同侧结构蓝光l e d 器件 的发光机理及量子阱内的极化电场，获到了如下一些有意义和部分有创新性的研 究成果： 1 s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 芯片高温老化特性结果表明：本实验室 研制的s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 有良好的温度可靠性以及较好的欧姆接 触性能，用s i 作g a n 蓝光l e d 的衬底在大功率l e d 应用方面具有更大的潜力。 2 比较了s i 衬底与蓝宝石衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 的e l 特性采 用了极化场、载流子、带填充及热效应的相互竞争机理来解释实验现象。首次提 出利用载流子屏蔽效应来测量i n g a n g a n 多量子阱内的极化场，获得该极化电 场的数量级约1 0 5 v c m 。 3 首次报道了低温情况下s i 衬底g a i n 基同侧结构蓝光l e de l 积分强度 与峰值波长的变化。结果发现e l 积分强度的变化模式与电流的大小有密切的关 系，总的趋势为e l 积分强度随温度的下降先略微增加而后逐渐衰减，当温度降 到1 0 0 k 以下e l 积分强度急剧减小。峰值波长随温度的变化都是先红移而后蓝 移，其转折点随电流的增加而向更低的温度靠近，本文把这种现象归结为载流子 屏蔽和带填充效应起主导作用。另外，从电致发光谱的高能端斜率获知，在同样 电流密度条件下，s i 衬底g a nl e d 载流子温度比蓝宝石衬底的要低，这也从一 个侧面体现出s i 衬底良好的导热性。 本论文得到了国家8 6 3 纳米专项( n o 2 0 0 3 a a 3 0 2 1 6 0 ) 和电子发展基金资助 关键词：s i 衬底；g a n ；l e d ；极化场；载流子屏蔽效应；带填充效应； 载流子弛豫 硕士论文 s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 a b s t r a c t g a nc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r sh a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nb e c a u s et h e i r l a r g ed i r e c tb a n dg a ph a v eb e e nd e m o n s t r a t e dal a r g ep o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o n si n o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s f o ra l lt h e s ea p p l i c a t i o n s ，t h ei i i vn i t r i d el a y e r sa r eu s u a l l y g r o w no ns a p p h i r eo ro ns i l i c o nc a r b i d es u b s t r a t e s t h es e a r c hf o ras u b s t r a t eo t h e r t h a nt h a tf o rt h ef a b r i c a t i o no fg a nl e d sh a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o ne v e rs i n c et h e s u c c e s s f u lf a b r i c a t i o no fg a nl e d s t h ed e v e l o p m e n to fs o m eo ft h e s ea p p l i c a t i o n s o ns i l i c o ns u b s t r a t e sh a so b v i o u st e c h n o l o g i c a la d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gt h el o wc o s t ， l a r g e 。s c a l ea v a i l a b i l i t y , g o o dt h e r m a la n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t i e sa n dt h ef e a s i b i l i t y o fr e m o v i n gt h es is u b s t r a t e sw i t hw e te t c h i n g s i g n i f i c a n tm i s m a t c h e si nl a t t i c e c o n s t a n t sa n dt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t so fs i l i c o na n dg a n i ng r o w t hp r o c e s si s e x i s t e d ，s u c hd i f f e r e n c e sc a u s ec r a c kf o r m a t i o nw h e nt h et h i c k n e s so ft h eg r o w nf i l m e x c e e d sac r i t i c a lt h i c k n e s s ，w h i c hw i l lb r i n gi ns o m eq u e s t i o n sa b o u tr e l i a b i l i t i e so f l e dd e v i c e s ，a n ds u c hm a t e r i a la n dr e l a t e do p t o - e l e c t r i c a ld e v i c e sa r es t i l li nt h e p r e l i m i n a r ys t a g e c o n s e q u e n t l y , i ti se s s e n t i a lt os t u d yt h er e l i a b i l i t i e so fb l u eg a n l e do ns is u b s t r a t e t h ep o l a r i z a t i o nf i e l d si nt h ei n g a n g a nm q w s ，w h i c hr e s u l t f r o mt h e s p o n t a n e o u sa n ds t r a i n - i n d u c e dp i e z o e l e c t r i cp o l a r i z a t i o ni nt h i sm a t e r i a l ss y s t e m ，c a n w e i g h t i l yi n f l u e n c et h eo p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fn i t r i d em a t e r i a l s t h e p o l a r i z a t i o n f i e l do fi n g a n g a n m q w sh a s b e e ns t u d i e d t h r o u g h v a r i o u s e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sw h i c ha r ev e r yc o m p l i c a t e da n da r e n 。te a s yt 。o p e r 上t h ep 。l 撕z a t i 。nf i e l di nm q w si se s t i m a t e d b yt h ec h a r a c t e r i s t i c o fe l e c t r o l u m i n e s c e n c e ，a sf a ra sk n o w , t h e r ei sn or e p o r t e di nt h ew o r l d t h e r e f o r e ， t h ei n v e s t i g a t i o nt h ee lc h a r a c t e r i s t i co fg a n l e do ns ii so fe x t r e m ep r a c t i c a l i m p o r t a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m ed e v i c ep r o p e r t i e so fg a nl e do ns is u b s t r a t e sa r e s t u d i e di n c l u d i n g ：r e l i a b i l i t i e s ，i - vc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee lp r o p e r t i e sa n dt h e p o l a r i z a t i o nf i e l do fm q w s ，t h el u m i n e s c e n c em e c h a n i s ma n ds oo n s o m e s i g n i f i c a n ta n di n n o v a t i v er e s u l t si sa c h i e v i n ga sf o l l o w i n g ： i i 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 1 t h eb l u eg a nl e dc h i p so ns is u b s t r a t ew e r ea g e di nh i g ha m b i e n t t e m p e r a t u r e t h er e s u l ts u g g e s t st h eg o o dt e m p e r a t u r er e l i a b i l i t i e so fg a n l e d o ns i s u b s t r a t ea n de x c e l l e n tt h ec h a r a c t e r i s t i co fo h mc o n t a c t ，t h eg a n b a s el e d so ns i s u b s t r a t eh a v em u c hm o r ep o t e n t i a lf o rt h ea p p l i c a t i o no nt h eh i g hp o w e rd e v i c e s 2 t h ee l e c t r o l u m i n e s c e n c es p e c t r ao fg a n - b a s e dl i g h te m i t t i n gd i o d e so ns ia n d s a p p h i r es u b s t r a t eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da saf u n c t i o no ft h ec u r r e n td e n s i t y t h e e x p e r i m e n tr e s u l t so nt h ed e p e n d e n c eo f t h ee l p e a kw a v e l e n g t ho no p e r a t i n gc u r r e n t d e n s i t yc a nb ee x p l a i n e di nt e r m so ft h ec o m p e t i t i o nm e c h a n i s mb e t w e e np o l a r i z a t i o n f i e l d ，c a r d e rs c r e e n i n g ，b a n d - f i l l i n ga n dt h e r m a le f f e c t t h ep o l a r i z a t i o nf i e l di nt h e a c t i v el a y e ro fi n g a n g a nm u l t i p l eq u a n t u mw e l l sw a se s t i m a t e dt ob e10 5v c mb y m e a n so fc a r r i e r ss c r e e n i n gt h ep o l a r i z a t i o nf i e l d 3 t e m p e r a t u r ea n dm j e c t i o nc u r r e n td e p e n d e n c eo fi n t e g r a t e de li n t e n s i t ya n d p e a kw a v e l e n g t ho fb l u eg a nl e d o ns ih a v eb e e ns t u d i e do v e raw i d et e m p e r a t u r e r a n g e ( t = 15 3 0 0 1 0a n da saf u n c t i o no fi n j e c t i o nc u r r e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ei n t e g r a t e de li n t e n s i t yc l o s e l yr e l a t e sw i t hc u r r e n t w ef o u n dt h a tt h e e li n t e n s i t yf i r s t l yh a sas m a l li n c r e a s et h e ng r a d u a l l yd e c r e a s ea st h et e m p e r a t u r e k e e pd e c l i n i n g ，a n dw h e nt h et e m p e r a t u r ei sb e l o w10 0 k ，i ti ss h o was h a r pd e c l i n e r e ds h i f to ft h ep e a k w a v e l e n g t hw a so b s e r v e da l o n g 、析廿1a ni n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e a n df o l l o w i n gab l u es h i f t ，t h et u r n i n gp o i n tw a sc l o s et ot h el o w e rt e m p e r a t u r ew i t h i n c r e a s i n gc u r r e n td u e t oc a r t i e rs c r e e n i n ga n db a n d f i l l i n ge f f e c ta r ed o m i n a n t t h i sw o r kw a s s u p p o r t e db y t h en a t i o n a l8 6 3n a n o m e t e r p r o j e c t ( n o 2 0 0 3 a a 3 0 2 16 0 ) a n de l e c t r o nd e v e l o p m e n tf u n do fi n f o r m a t i o ni n d u s t r yi nc h i n a l iy o u q u n ( m a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r j i a n gf e n g y i k e y w o r d s ：g a n ，s is u b s t r a t e ，l e d ，p o l a r i z a t i o nf i e l d ，c a r d e rs c r e e n i n ge f f e c t ， b a n d - f i l l i n ge f f e c t ，c a r d e rr e l a x a t i o n i i i 簟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 929 05 0 南昌大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 ： 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签 签字日期：嘶多月 7 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 日节日 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 第一章综述 1 1 前言 第三代半导体材料的兴起，是以g a n 材料p 型掺杂的突破为起点，以高效 率蓝绿l e d 和蓝光l d s 的研制成功为标志的。从第一支g a n 基p n 结l e d 的 研发到第一支连续波g a n 基l d s 的生产不到十年的时间，虽然g a n 器件与市场 发展迅速，但g a n 材料中还存在较多的问题：如发光机理、如何提高发光效率、 高的缺陷浓度及衬底的选择等。 1 1 1g a n 材料与发光器件的发展 g a n 材料最早由j o h n s o n 等【1 】人于1 9 2 8 年用n h 3 和金属g a 合成的g a n 粉 末。此后几十年又有人陆续合成g a n ，并对其晶体结构、晶格常数和光谱进行 了研究【2 。】。g a n 单晶材料最早由p a n k o v e 的两个助手m a r u k a 和t i e t j e n 用h v p e 方法在蓝宝石衬底上生长的【4 】。但由于蓝宝石衬底与g a n 之间巨大的晶格失配 和热失配，g a n 外延膜通常处于高应力状态下，这会使g a n 外延膜严重龟裂。 随后他们对g a n 材料进行掺杂与光学性能的研究，并制备出第一支m i s 结构的 蓝色发光l e d 引。他们的成功激起了人们对g a n 材料研究的极大兴趣，但由于 当时生长技术的限制，制备的材料质量很差( 高的n 型背景载流子浓度) ，没能 实现g a n 的p 型化，阻挡了g a n 器件化的进程，大家逐渐对g a n 失去了兴趣。 在上世纪八十年代只有极少数的研究组还在对它进行研究。 上世纪八十年代末，由于a k a s a k i 6 】的努力，g a n 的研究取得了突破性的进 展。他意识到g a n 的p 型化与g a n 的质量有很大的关系，要降低n 型背景载流 子浓度，以及得到无龟裂的表面。为了克服蓝宝石衬底与g a n 之间的晶格失配， 他发明了低温缓冲层技术，在5 0 0 左右在蓝宝石衬底上沉积一层约3 0 n m 厚的 a 1 n 缓冲层，使生长在蓝宝石衬底上g a n 单晶质量大大提高，表面无龟裂，背 景载流子浓度下降，载流子迁移率提高，发光性能也大大改善。a k a s a k i 非常成 功的获得了p 型g a n 材料，这重新引起了人们对p 型g a n 研究的兴趣。a k a s a k i 和a m a n o 用m o v p e 方法对g a n 进行掺m g ，并用低能电子束辐照( l e e b i ) ， 实现了p 型电导。接着a m a n o 制备出世界上第一支g a n 基p n 结l e d 7 1 。接着， 日亚公司的n a k a m u r a 改用g a n 作缓冲层，他获得了如镜面的表面和更优越的电 学性能【8 1 ，并制备出了他的第一支g a n 蓝色l e d 9 1 。接下来，n a k a m u r a 在氮化 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 物研究领域一路丰收，1 9 9 2 年，在n 2 气氛下对掺m g 的g a n 外延膜进行退火处 理，获得了很好的p 型g a n 材料 1 0 】。同年又在g a n 单晶膜上生长出高质量的 i n g a n 1 1 】。1 9 9 3 年制作出亮度超过1 0 0 0 m c d ，以i n g a n 为有源层的双异质结的 蓝色l e d s 。到2 0 0 1 年，日亚公司的蓝色l e d s 输出功率超过6 m w ( i f = - 2 0 m a ) ， 亮度超过3 c d 。1 9 9 5 年，n a k a m u r a 通过控制i n g a n 中的i n 组份，获得了发光波 长从5 0 0 n m 到5 9 0 n m 的蓝绿，纯绿和黄绿l e d s ，其中绿光l e d s 亮度达1 2 c d 。 利用蓝色发光芯片涂覆黄色荧光粉技术，得到了白光l e d s t l 2 1 。2 0 0 2 年，l u m i l e d s 宣布其获得了5 w1 2 0 1 m 的白光光源。2 0 0 5 年c r e e 公司宣布其白光l e d s 达到 7 4 l m 厂w 。 g a n 因其为宽禁带半导体，在制作短波长器件方面有广泛的应用。在发展 蓝色发光器件的同时，大家对紫色和近紫外g a n 基发光器件进行了大量的研究。 1 9 9 3 年，n a k a m u r a 用掺s i 的i n g a n 用作有源层，制作出双异结紫色发光二极 管，发光波长为4 2 5 n m ，量子效率为0 1 5 。1 9 9 5 年，他用i n g a n a 1 g a n 双异 质结，把紫色发光二极管的量子效率提高到9 2 ，光功率达5 6 m w 。 除日亚外，还有很多研究组对u vl e d s 进行了研究。1 9 9 7 年，p h i l i p s 公司 的p m m e n s z 1 3 】报道了3 8 5 n m 和4 1 2 n m 的u vl e d ，光功率为1 5 m w 。用6 h 。s i c 衬底制备的u vl e d s 也表现了良好的光电性能，2 0 0 1 年，c r e e 的s i c 衬底u v l e d s 商品光功率为1 2 m w ，而根据最近的报道，其u vl e d 功率已达2 1 m w 。 s a n d i a 的j h a n 则用a i g a n g a n 多量子阱结构制造出3 5 3 6 n m 的u vl e d 1 4 】。 h h i r a y a m a 在6 h s i c 衬底上用舢o 1 l g a o s g n a l o 2 4 g a o 7 6 n 多量子阱结构制备出了 一种更短波长的紫外发光二极管，发光波长为3 3 0 m 【1 5 】。 氮化物的研究之所以吸引全世界众多单位的关注，一个重要的原因是在于它 们能够用于制造蓝光甚至更短波长的半导体激光器。所以自从蓝光l e d 研制成 功后，许多公司和研究组都投入大量的资金进行g a n 基半导体激光器的研究。 1 9 9 5 年，n a k a m u r a 率先研制出第一支电注入i n g a n 多量子阱紫色激光器。1 9 9 8 年，日亚的紫色激光器室温工作寿命超过1 0 ，0 0 0 小时，达到商业化水平。2 0 0 0 年，他们又研制出4 5 0 n m 的蓝色激光器。2 0 0 1 年6 月，日亚宣布他们开始量产 3 0 m w 的紫光l d ，这将取代现有的红光l d 作为下一代d v d 光盘的光源。1 9 9 9 年，f u j i t s u 紫色激光器室温l m w 工作寿命达5 7 小时。2 0 0 0 年3 月s o n y 的紫色 2 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 激光器5 r o w 工作寿命超过1 0 0 0 小时。 1 2 g a n 的基本性质 有关g a n 基本性质参数的报道较多，其主要基本性质参数见表1 - 1 1 3 g a n 材料的极化和压电效应 相对于其它半导体材料，氮化物材料具有很强的极化电场和压电效应。氮化 物的压电常数的绝对值比传统的砷化物和i i v i 化合物大十倍，是目前知道的四 面体半导体中最大的。由于这些原因，六角形的i i i 族氮化物的自发极化和压电 极化对器件光电性能的影响比其它i i i 。v 族化合物大。这将对氮化物材料的物理 性能和器件性能产生很大影响。因为电场影响能带边的形状和载流子在氮化物异 质结内的分布。因此自发极化 和压电极化能够影响发光器 件的辐射复合和一些电子器 件的性能。氮化物材料体系中 的极化同时包含有自发极化 和压电极化。自发极化方向由 其极性决定，结构参数很敏 感。压电极化的方向则由极性 和该材料是受张应力还是压 应力决定。目前采用m o c v d 工艺，高质量的氮化物材料都 是沿( 0 0 0 1 ) 轴生长的【1 6 - 17 1 。 g a n 内因自极化和压电 电场引起的能带边的变化对 其光学性能有显著的影响( 图 图1 1 ：a i g a n g a n a i g a n ( x _ 0 1 5 ) ， g a n i n g a n g a n ( x = 0 0 6 ) 异质结的能带 1 1 ) 由于s t a r k 和f r a n z k e l d y s h 效应，g a n 的有效带 隙宽度将红移，电子空穴对的复合几率也会由电子与空穴的空间分离而下斛1 8 1 ， 如图l 一2 所示，由s t a r k 效应产生的移动可达2 7 4 m e v 。这些物理效应将改变g a n 或i n g a n 量子阱的电致发光的能量和i i i 族氮化物激光器内的载流予的复合率， 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 表1 - 13 0 0 k g a n 的基本参数 纤锌矿结构 闪锌矿结构 对称群 1 c m 3 中的原子数 德拜温度依 密度( g c m 3 ) 静态的介电常数 高频的介电常数 有效电子质量( m o 为单位) 有效空穴质量( m o 为单位) 重空穴 轻空穴 能带带劈裂 电子亲和势e v 晶格常灿 光学光子能量m e v 带隙e v 导带有效态密度c m 。3 价带有效态密度c m 弓 击穿电场| c m 。1 ) 电子迁移率( c m 2 v 1 s 。) 空穴迁移率( c m 2 v 1 s 一1 ) 电子扩散系数( c m 2 v q s 。1 ) 空穴扩散系数( c m 2 v 1 s 。1 ) 电子热速度( m s 4 ) 空穴热速度( m - s 。1 ) 辐射复合系数( c m 3 s 。) 体积模量p a c 6 v 4 p 6 3 m e 8 9 1 0 2 2 6 0 0 6 1 5 8 9 5 3 5 0 2 0 1 4 o 3 0 6 4 1 a = 0 3 1 8 9 c = 0 5 1 8 6 9 1 2 3 3 9 2 3 1 0 1 8 4 6 1 0 1 9 5 1 0 6 1 0 0 0 1 2 0 0 2 5 5 2 6 1 0 5 9 4 x 1 0 4 1 0 。8 2 0 4 1 0 1 0 t d 2 _ f 4 - j m 8 9 1 0 2 2 6 0 0 6 1 5 9 7 5 3 0 1 3 1 3 o 2 o 3 4 1 0 4 5 2 8 7 3 3 2 1 2 1 0 1 8 4 1 1 0 1 9 5 1 0 6 1 0 0 0 3 5 0 2 5 9 3 2 1 0 5 9 5 1 0 4 硕士论文 s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 熔点 比热容( j g - 1 k - 1 ) 热导率( w c m q k - 1 ) 熟扩散系数( c m 2 , s 1 ) 线性热膨胀系数肛0 1 2 5 0 0 0 4 9 1 3 0 4 3 e t a = 5 5 9 x l f f o = 3 7 1 0 4 ( 辨 f i g u r e 1 2 ：p o s s i b l et r a n s i t i o n si ni n g a n g a nq ws t r u c t u r e r a ) t r a n s i t i o ni nf r e e s t r a i no rs c r e e n i n ge f f e c tc i r c s ( b ) t r a n s i t i o ni ns t r a i nc i r c s ( c a r r i e r ss e p a r a t e da c r o s st h eq wb ye l e c t r i cf i e l d 强电场也会增进电子或空穴在a 1 g a n g a n 界面的积累( 图卜1 ) 。这个效应能被 异质结构场效应晶体管利用。 尽管氮化物有很强的极化电场和压电效应，但大于1 0 ”c m l 的自由载流子， 被吸附的带电缺陷或表面电荷的补偿都可能大大减少极化诱导电场【1 9 】。 1 4 族氮化物的能带结构 i i i 族氮化物g a n 、a 1 n 、i n n 材料之所以成为研究的热点，主要是因为它 们是直接带隙半导体，发光效率高。它们的能带结构与直接带隙的闪锌矿结构半 导体g a a s 接近，但也有很大的不同。一个主要不同的地方是g a n 在晶体场的 作用下，其价带简并消失，因此存在三种带隙激子，分别叫做a 激子、b 激子 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 和c 激子。另外由于g a n 的价带严重偏离抛物线性，有效质量近似在g a n 的价 带中不大适用，而用于g a a s 和其它的一v 半导体则非常有效。应力对g a n 价 带边偏移的影响小于其对g a a s 的影响，这由于纤锌矿结构中具有晶体场分裂的 六方晶体可以解释为受内应力的立方结构。因此量子阱束缚和应力对g a n 价带 结构的影响就比对g a a s 及其它一v 半导体的小的多。纤锌矿结构g a n 禁带宽 度大于其闪锌矿结构的禁带宽度，其能带结构【2 0 如图1 3 所示g a n 的复合跃迁 主要发生导带底和价带顶之间。复合包括辐射复合和非辐射复合，前者导致发射 光子( 发光) ，后者发射声子( 发热) 。主要的辐射复合与非辐射复合如图1 4 所 示【2 1 1 。第一过程是带带跃迁，这是直接带隙半导体发光的基本原理；第二个 图1 3 a 纤锌矿g a n 的能带结构，导带最小和价带最大。价带有三个劈裂的能带，它 来自于自旋轨道的相互作用和晶体的对称性 细节参看s u z u k i 和u e n o y a m a ( 1 9 9 5 ) 】 s p l i t - o f f b a n d 图1 3 b 闪锌矿g a n 的能带结构，导带最小和价带最大 图1 3 g a n 能带结构1 3 a 为纤锌矿结构，1 3 b 为闪锌矿结构 6 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 e v 电子 发光中心b i i l 俘艺 、 、， 1 矿发光中心 o 6o 。 空穴 辐射跃迁 图1 4 半导体中可能的几种跃迁 非辐射跃迁 中心 过程是电子和空穴通过发光中心的复合，这是间接带隙半导体发光的基本原理。 如果材料的质量很差，则是非辐射复合占主导( 过程3 ) ，发光效率也就很低。 1 5s i 衬底 s i 材料优良的物理性能、高质量、低成本，在s i 上生长g a n 材料受到越来越 多的关注。由于成熟的技术和大规模生产，可以得到大面积的s i 片，而且价格便 宜，女n i n l - 5 所示【2 2 】。在g a n 外延生长条件下，s i 具有很好的热稳定性。s i 材料 的晶体完美性比, g a n # b 延用的其它任何一种衬底材料好，而且表面非常光亮。 g a n 光电器件和s i 电子器件可能形成光电子集成，这非常诱人【2 3 】。到目前为止， s i 作为g a n ：；， - 延衬底存在的主要问题：s i 与g a n 之间存在巨大的晶格失配( 1 7 ) 会造成g a n 外延层大量位错以及热失配( 一5 6 ) 会使g a n ：9 , 延层易出现龟裂同 时s i 暴露于活性氮源表面易形成无定形的s i x n v 。生长在s i ( 111 ) 上的g a n 和a l n 具 有高的缺陷浓度和非常多的非辐射复合中心，造成其光电器件的发光效率降低。 不过，使用s i 作衬底的热情仍然很高，用侧向外延和悬空外延技术在降低缺陷密 度方面已取得了很大的进步。s i 衬底上已制备出许多g a n 器件，女h l e d 、h e m t 。 1 5 1s i 衬底结构和性能 s i 具有f d 3 m 空间群的金刚石结构，属于立方晶系家族。它是由沿体对角线 方向位移1 4 体对角线距离的两套面心立方子晶格镶嵌而成。每个原子周围连接 四个等距离的原子，它们位于一个四面体的各个角上。图卜6 是从s i 晶胞 o01 】， 011 】和 111 方向的透视图。 未掺杂s i 和掺杂s i 的性能已被广泛研究。s i 的室温物理、化学、热学、机械和光学性能列于表卜2 中。 图1 - 5 几种衬底大小与价格示意图 图1 _ 6 沿s i 不同方向的透视图，( a ) o 叭】；( b ) 【0 1 1 】；( c ) i n l 】 1 5 2 在s i ( 0 0 1 ) 衬底上的生长g a n 不管是用m b e 2 4 - 2 7 、m o c v d 2 8 3 0 】还是h v p e 都在s i f 0 0 1 ) 衬底上生长出了闪 锌矿结构和纤锌矿结构的g a n 。直接生长在s i ( 0 0 1 ) 的g 烈膜是混合相【3 1 】或只有纤 锌矿相【3 ”。由于巨大的晶格失配，在s i ( 0 0 1 ) 衬底上很难直接生长出纯的闪锌矿 g a n 。另外在g 削s i 界面很容易形成s i x n ，层，从而引入混合相。首先在s i 衬底上 沉积缓冲层，以增加其浸润性和降低s i 衬底的反应活性，并且为外延膜和衬底之 间提供更好的晶格匹配。通常用c v d 法在衬底表面生长一层厚的3 c s i c ，或是 直接碳化在表面形成一层薄的3 c s i c ，用来防止表面形成无定形层，促进闪锌矿 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 结构g a n 的生长。若采用其它衬底，如1 ，a 1 2 0 3 、a i n 或a l x g a l x n 则会导致纤锌矿 相g a n 的生长。虽然用m b e 在g a a s s i ( 0 0 1 ) 上生长的g a n 主要是闪锌矿结构，但 相对于在g a a s 上生长外延膜，其还存在另外的结构缺陷，因此在s i ( 0 0 1 ) _ j 2 生长 闪锌矿结构的g a n 依然是一个挑战。 1 5 3 在s i ( 1 1 1 ) 衬底上生长g a n 在g a n p b 延生长中，一般选s i ( 1 1 1 ) 作衬底，这是由于s i ( 1 1 1 ) 为三次对称衬底， 更易于生长六方g a n ( 0 0 0 1 ) 面。近几年来，s i ( 11 1 ) 上生长的g a n 质量取得了很 表卜2s i 室温性能 晶格常数(nm)0543102 密度( g c m 3 ) 2 3 2 9 0 熔点( )1 4 1 4 热容( j g k ) o 7 0 热导率( w a m k )1 5 6 热扩散系数( c m 2 s ) 0 8 6 热膨胀系数，线性( x 1 0 咱k 叫)2 6 1 6 剪切模量( g p a )6 8 0 体积模量 9 7 7 4 杨氏模量1 6 5 6 泊松比0 2 1 8 折射率 3 4 2 静态介电常数 1 1 8 电阻率( 未掺杂) ( k qc m )5 0 带隙( e v )1 1 2 4 电子迁移率( e m 2 v s ) 空穴迁移率( c m 2 v s )4 7 3 - 4 9 5 大的改善，在s i 0 1 1 ) 衬底上已得到了f e t 【3 3 1 、肖特基紫外探测器 3 4 1 和蓝光l e d 【3 5 】。 为克服巨大的晶格参数不同及强的s i n 键，在s i ( 111 ) 上采用了不同的缓冲层，如 a 丛s 陋3 8 1 、氧化的a 认s d 9 1 、a 1 n m 4 3 1 、f l n g a n e 4 4 4 5 1 、z n o 4 6 矛n 3 c s i c ( 1 11 ) t 4 7 - 4 8 1 。 硕士论文 s i 村底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 缓冲层的选择仍然是未解决的问题，外延层的质量由缓冲层的质量决定。另外， 为了避免形成s i x n ，一般是用m b e 法先通入a l 源，再通入n h 3 ，在s i ( 111 ) 衬底 上生长a l n 缓冲层 4 9 - 5 0 】。这些技术抑制在界面形成s i x n y ，因此g a n - - 维生长。当 用m b e 方法直接在s i ( 11 1 ) 表面生长g a n ，在g a n s i ( 111 ) 界面形成无定形的 s i x n y 层，导致生长的g a n 外延层为多晶【5 1 】。i s h i k a w a 等 5 2 】研究了用m o v p e 法在 s i 衬底上生长g a i n 的热稳定性。他们发现低温( 5 3 0 c ) 生长的g a n 在n 2 和n h 3 气氛 中于1 0 5 0 。c 退火，g a b 的质量明显下降，从其剖面s e m 图可以看出界面粗糙，而 且存在空洞和g a 滴，低温g a n 分解及s i 与元素g a 的强烈反应导致g a n 质量变差。 由于g a 元素对s i 的熔化腐蚀作用，所以低温g a n 不适合做缓冲层。a 1 n 缓冲层可 以阻j j 二s i x n y 的形成，并促进g a n 的二维生长。n m b e 法f 5 3 】在s i ( 11 1 ) 上于 6 4 0 7 2 0 c 沉积a 1 n 缓冲层，其界面非常陡峭，而且随厚度的增加，缺陷减少， 如图卜7 所示。 渤 图i - 7 aa i n s i ( 1 1 1 ) t e m 1 - 7 b a 1 n s i ( 1 1 1 ) h r t e m h e l l m a n 等1 5 4 j 对m b e 法在s i ( 1 1 1 ) 衬底上的a 1 n 沉核行为进行了研究，虽然 a 1 n 与s i ( 1 1 1 ) 的晶格失配达2 3 4 ，在( 7 x 7 ) 重构的s i ( 1 1 1 ) 上生长优化的a l n 外延 膜是g a n # 延较好的衬底。调节m b e 法生长条件，可以在s i ( 11 1 ) 衬底上获得二维 生长的原子级表面的a l n 口5 。”】。用m o c v d 方法，高温生长的k i n 缓冲层优于低 温生长的，高温生长的灿n 可以促进g a n 的二维生长【5 7 l 。g a n ( a 6 a n = o 3 1 8 9 2 n m ) ， s i ( a s i ( 1 1 1 f 司3 8 4 0 3 m ) 的晶格常数的巨大不同引起的巨大晶格失配( 一1 6 9 ) ，在 外延层中导致1 0 ”c m - 2 的位错密度。最严重的问题是g a n 与s i 之间巨大的热失配。 在a 轴方向g a n 的热膨胀系数为5 5 9 x l 旷k ，s i 0 1 1 ) 为3 7 7 1 0 飞。1 ( 另外也有用 硕士论文s i 衬底g a n 基同侧结构蓝光l e d 电致发光特性研究 2 5 9 x i 0 。6 k 1 的) ，因此从生长温度降至室温时在外延膜中引入巨大的张应力，从 而引起外延片龟裂。f o l l s t a e d t 等1 5 8 j 用m o c v d 法在1 0 8 0 。c 生长的a i