（微电子学与固体电子学专业论文）非极性和半极性gan的生长及特性研究.pdf

摘要 摘要 由于常规的g a n 是在极性c 面蓝宝石上生长的 g a n 基高电子迁移率晶体管 的出色性能主要是因为a l g a n g a n 异质结界面存在着高密度和高迁移率的二维电 子气 2 d e g 这层2 d e g 是由于异质结中较大的导带不连续性以及较强的极化效 应产生的 但是这种极化效应在光电器件当中是有较大危害的 由于极化引起的 内建电场的存在使能带弯曲 倾斜 能级位置发生变化 强大的极化电场还会使 正负载流子在空间上分离 电子与空穴波函数的交迭变小 使材料的发光效率大 大的降低 同时发光波长也会出现红移 为了消除极化的效应 可以生长非极性 面g a n 比如a 面和m 面 但是非极性材料的结晶质量很差 位错密度很高 为 了解决上述问题 本文对非极性及半极性g a n 进行了研究 主要结论如下 1 成功地通过我们独立研制的m o c v d 生长系统在r 面蓝宝石衬底上生长了 高质量的非极性a 面g a n 薄膜 通过采用渐变成核层的方法 提高了非极性a 面 g a n 的结晶质量 h i 1 1 2 0 面摇摆曲线的半高宽降低为8 0 2a r c s e c 通过采 用a l n a l g a n 超晶格结构 h r x r d 1 1 2 0 面摇摆曲线的半高宽降低为6 6 0 a r c s e c 达到同年常规生长方法下的国际顶级水平 2 用m o c v d 生长了s i 掺杂的非极性a 面g a n 研究了s i 掺杂对非极性a 面g a n 的结晶质量 表面形貌 电学性质和光学性质的影响 通过s i 掺杂 材料 的结晶质量出现微小的退化 材料表面上位错坑的数量增加 迁移率从5 0 5c m 2 s 提高到6 6 6 l c i n 2 s 通过p l 谱的研究发现由于s i 的引入能够使s i g a 的数量增 加 p l 谱的黄带有所提高 3 研究了非极性a 面g a n 材料的电学各向异性问题 提出了非极性材料中结 晶质量的各向异性会引起电学性质的各向异性 通过霍尔测试证明了我们的设想 c y c h a n g 等人对非极性a l g a n g a n 异质结材料上制作器件的研究进一步验证了 我们的观点 4 研究了非极性a 面g a n 的腐蚀问题 提出了非极性a 面g a n 的腐蚀模型 发现了非极性a 面g a n 经过腐蚀以后具有纳米及微米柱的形貌 用含有堆垛层错 的模型解释了这种现象 通过对比g a 面 n 面g a n 的腐蚀特征 验证了我们的 设想 5 通过采用t i 插入层并氮化的方法形成了币n 掩膜 然后进行了外延生长 非极性a 面g a n 的材料质量获得了大幅提高 提出了t i n 更容易氮化的思想 缩 短了氮化过程的时间 a 面g a n 1 1 2 0 面的h i i m 沿着c 轴的半高宽降低为4 3 2 a r c s e c 沿着m 轴的半高宽降低为4 9 7a r c s e c 使得两个半高宽同时降低到5 0 0a r c s e c 非极性和半极性g a n 的生长及特性研究 以下 结果大大超过了采用传统e l o g 技术的a 面g a n 的结果 6 成功地通过我们独立研制的m o c v d 生长系统在m 面蓝宝石衬底上研制 出了半极性 1 1 2 2 面g a n 通过采用氮化方法获得了晶向一致的半极性材料 通 过采用超晶格结构 极大地提高了半极性 1 1 2 2 面g 州的结晶质量 半极性 1 1 2 2 面g a n 的半高宽从9 4 4a r c s e c 降低到了7 6 1a r c s e c 7 提出了c 和o 的杂质结合模型 通过研究认为c 主要来自于上面源的分解 而o 主要来自于下面衬底的分解 在分解以后扩散的过程中极性对杂质的结合发 挥着至关重要的作用 g a 原子阻挡作用的大小决定了材料中最终c 和o 含量的大 小 这个模型把杂质来源和原子排列两个方面结合起来 很好的解释了c 和o 在 各种不同类型材料中的作用 解决了长期困扰我们的g 削材料中的杂质结合问题 8 从极性角度研究了g a n 的黄带机制 在我们提出的c 和o 杂质结合模型 的基础上 从极性角度研究了非极性a 面g a n 半极性 1 1 2 2 面g a n 和极性c 面 g a n 的发光机制 发现非极性a 面g a n 的黄带最强 极性c 面g a n 材料的次之 半极性 1 1 2 2 面g a n 的最弱 通过h r x i m 的测试排除了位错密度的影响 通过 s i m s 的测试排除了v g 棚n 的作用 最终确定了c 元素是g a n 材料中黄带产生的 根源 9 在非极性a 面g a n 上生长高质量的纳米线 首先在a 面g a n 上淀积t i 金 属 然后进行生长 纳米线起源于t i n 上的多晶g a n 颗粒中 纳米线的方向性很 好 大部分是沿着c 向生长的 并且 同时生长出了g a 极性和n 极性的纳米线 纳米线有较快的生长速率 为高质量极性纳米线的生长和研究指明了方向 关键词 非极性g a n 半极性g a n 氮化钛 黄带 杂质结合 a b s t r a c t t h e s p o n t 卸e o u s 趾d p i e z o e l e c t r i cp o l a r i z a t i o nf i e l d s p r e s e n t i i ln i t r i d e h e t e r o s t r l l c t l l r e s w h n e 毋p i c a l l yb e i n ga d v a l l t a g e o u si ne l e c 仃o n i cd e v i c e ss u c h 鹤 i l i t r i d e b a s e df i e l de a e c t 衄l s i s t o r s t h es n o n ge l e c t r i cf i e l dp r o d u c e db ys p o n t a i l e o u s a i l ds 仃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 i l si si i lt h ec 憾i so r i e n t e dh e x a g o n a lg a n t h e s ep 0 i a r i z a l i o nf i e l d s 玳u n d e s i r a b l ef o rl i g h t e m i t t i n gd e v i c e sw h o s ea c t i v er e g i o i l s c o l l s i s to fq u a m 哪w e l l s b e c a l i s em ea s s o c i a t e de l e c t r i cf i e l d ss e p a t e t h ee l e c t r o n s a 1 1 db o l e sa tm eo p p o s i t ei n t e r f a c eo ft 1 1 e v e l la n dr e d u c et h e o v e r l a po ft h e i r 咖e 胁c t i o n s t h i sr e s u l ti j lar e d u c t i o no ft l l er e c o m b i n a t i o ne 硒c i e n c yi n i i 曲t e m i t t i n g d e v i c e s 锄dar e d s 嫩ro ft h ee m i s s i o nu r a v e l e n g t l l t oe l i m i n a t e 恤i n t e m a lp o l a r i z a t i o n f i e l d s g r o u pi i ii l i t r i d e1 a y e r sh a v eb e e nr e c e n t l y 黟o w no nn o n p o l a rp l a i l e s s u c h 嬲m e a p l a n eo rt h em p l a n e i nt 1 1 i sc a s et h e r ea r en op o l a r i z a t i o nf i e l d sp e r p e n d i c u l a rt 0t h e l a y e ri n t e r 雠e s b e c a u s et l l ep o l a rc a i sl i e sw i t h i nm eg r o w d lp l 锄e h o w e v e r e x t e n d e dd e f e c td e n s i t i e si nn o n p o l a ra p l 觚e 1 1 2 0 g a na r e v e 可m 曲 1 1 1t h j sp a p e r w e 咖d yt h en o n p o i a ra l l ds e m i p o i a rg a nm a t e r i a l s 1 1 1 em a i ni l l l l o v a t i v er e s u l t sa r e 1 u s 堍t l l eh o m e m a d em o c v d s y s t e m 舭h i 曲q 眦l 埘n o n p o l a ra p l a n eg a n c 巧s 伽6 l mw i mo nr p j a l l es a p p l l i r eh a sb e e na c h i e v e d n l eg m d i e n tn u c l e a rl a y e r h 豁 b e e ni l s e dt oi n p r o v et h eq u a l i 锣o fa p l a n eg a n n i e 如1 1 i i d t ha t h 出f m a i m u m f w h m f o r 也e 1l 一2 0 p l 觚eo fm el l i g l l 一r e s o l u t i o nx wd i 行i r a c t i o n h r x r d r o c k n gc u n i s8 0 2 a r c s e c f u r t 量l e rm o r e w es h o wt h a tt l l ei n s e r t i o no fa 1 w a l g a n s l si n l p r 0 v e sc r y s t a lq u a l i 毗t h ef w h m o f 1 1 2 0 p l a n ei s6 6 0a r c s e c w h i c hi st l 圮 t h et o pl e v e lo fi n t e m a t i o n a l 2 s i d o p e d 1l 一2 0 a p l a i l eg a ng r o w n0 n 1 1 0 2 f p l a i l es a p p i l i r es u b s t r a t e 懈 0 b 妇e d b y m o c v d n i ec r y s t a lq 吼1 i t y m o 咄o l o 踢o p t i c a la n de l e c t r i c a jp r o p 嘶i e s 0 ft h es i d o p e da p l a l l eg a nf i l i l l sw e r ei i l v e s t i g a t e db yh 硒 a f m p l s p e c t n 髓 a r l dh a l lm e a s u r e m e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o 印h o l o g ya i l dt 1 1 ec 那t a jq u a j i t y s l i 曲t l yd e g 刚e d 晰t l ls id o p i n g t l l em o b i l i t ri n c r e a s e s 矗 o m5 0 5c m 2 咖6 6 6 1 c m 2 厂vs 丘 o mt l l e 蚰帕yo ft h ep l t l l es i g ai sf o u n dt oi n c r e a s ei n t e n s i 匆o ft h e y e l l o w l u m i n e s c e n c e 3 w el m ei n v e s t i g a t e dt h ee l e c t r i c a ja l l i s o 仃i p i co ft l l ea p l a n e g a n t h ee l e c t r i c a l a i l i s o t r o p i ci sa s s o c i a t e dw i t ht i l ea i l i s o 打o p i co ft 量l ec 巧s t a lq u a l i t 凡m l e rm o r e t l l e m o b i l i t ri sc h 锄g e dw i t l lt h ed e g eo ft 1 1 ev a nd e rp a u ws q l j a r ed i a g o n a lt 0t h ec 非极性和半极性g a n 的生长及特性研究 d i r e c t i o n w h i c hs h o w ss i 皿i f i c 锄e l e c t r i c a l 撕s o 仃0 p i c m es t u d yo fm e 舢g a n g a n b yc y c h a i l gm n h e re v i d e n c eo fo u ra r 则n e n t 4 m o 叩h o l o g yo fn o n p o l a f 1 1 2 0 a p l a n cg a n 印i l a y e r so nr p l a n e 1 l0 2 s 印p h i r es u b s t r a t eg r 0 姗b yw e r ei n v e s t i g a t e d 诅e rk o hs o l u t i o ne t c k n g m 锄y m i c r o n a 1 1 dn a n o m e t e rc o l u m 璐o nt h ea p l a n ega ns u r l c ew e r eo b s e r v e db y s c 锄i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y a ne t c h i n gm e c h a l l i s mm o d e l i sp r o p o s e dt 0i n t e 印r e tt h e o r i g i no ft h ep e c u l i a re t c l l i n gm o 印h o l o g y t h eb a s a ls t a c l i n gf a u l ti nt l l ea p l a i l eg a n p l a y sav e r ri m p o r t a i l tr o l ei nt l l ee t c h i n gp r o c e s s o u rm o d e li sp r o v e db yc o m p a r i n g t h ee t c h i n go fg a f a c ea i l dn f a c eg a n 5 t h et i nm a s kh a sb e e na b t a i n e db yn i t r i d e dt h et ii n t e r l a y e r t h ec r y s t a lq u a l i t r o fa p l a i l eg a ng r 0 v nb a s e do nt i nt e c 量l i l i q u ei ss i 弘i f i c a l l ti m p r o v e d t h et i ni sv e d r e a s yt on i t r i d e d s ot h et i m eo fm en i t r i d e di sr e d u c e d t h ef w h mo f 1 l 2 0 p l a n ei s 4 3 2a r c s e ca l o n gt h ec a x i s 血ef w h mi s4 9 7a r c s e c b o t ho ft h ef w h mi sl e s st 量l a i l 5 0 0a r c s e c t h er e s u l t t l l er e s u l t si sm u c hb e t t e rt h a nt h er e s u l t so fc o n v e n t i o n a le l o g t e c h n o l o g ya n dt h es i ni n t e r l a y e rt e c h n o l o g y 6 u s i n gt h eh o m e m a d em o c v ds y s t e m t 1 1 el l i g hq u a l i 够s 锄i p o l a ra p l a n eg a n c r r s t a lf i l mw i t ho nm p l a i l es 印p h i r eh a sb e e na c h i e v e d n ep u r e 1 1 2 2 p l a i l eg a n i s a c h i e v e db yt h ei l i t r i d e db e f o r em eg r o 叭h 如r t h e rm o r e w ei l s e t h e 铲a d e d s u p e r l a n i c e sf o rd e f e c tr e d u c t i o ni ns e m i p o l a r 1 1 2 2 g a nf i l m s t h ef w h mo ft h e 1l 2 2 p l a n ed e c r e a s e sf r o m9 4 4a r c s e ct o7 6 la r c s e c 7 t h em o d e lo fm ei m p 谢够i i l c o 印o r a t i o ni sp r o p o s e d i ts h o u l db en o t e dt h a t o x y g e nc o m e sf 而mt l l ed e c o m p o s i n go fm e d o n s i d e s a p p l l i r e a n dt l l ec a r b o n i r l c o 印o r a t i o nm o s tl i k e l ys t e m s 丘 o mg ap r e c u r s o rm o l e c u l ed e c o m p o s i n g n 锄e l yi ti s f i o mt h e u p s i d e t h ep r o t e c t i o ne f f e c to ft h eg aa t o mt 0t h ena t o md e t e m l i n e st 1 1 e c o n c e m r a t i o no fc 锄do t h ep o l a ra n dt h eb o n d i i l gs t n j c t u r ep l a ya i li m p o r t 觚tr o l ei n t 1 1 ei m p 面锣i n c o 印o r a t i o no fca n do t h em o d e lh a sag o o ds o l u t i o nt o 吐屺p r o b l e mo f i m p 嘶哆i n c o q 砷r a t i o no fg a n 8 t h ey e l l o wb 砒1 dm e c h a n i s mo fm eg a ni ss t u d i e df b mt h ep e r s p e c t i v eo f p o l 撕够b a s e do no u rp r o p o s e dc o m b i i l a t i o no fca n doi m p u r i t i e si nt h em o d e l t h e l 啪i n e s c e n c em e c h a l l i s mo fp o l a r i l o 叩o l a ra 1 1 ds e m i p o l a rga ni s 则i e d w ef 孤n d t h en o n 巾o l a rg a nw i t hu 1 es t r o n g e s ty e l l o wl 啪i n e s c e n c e m ep o l a rg a nm a t e r i a l si s t h em i d d l e m es 锄i p o l a rg a n 胁m e e a k e s t m ee 舵c to fd i s l o c a t i o na i l dt t l e v g 棚ni se x c l u d e db yt h et e s to f t h eh r x r da i l dt h es i m s m ece l e m e n ti st h em a i n r e a s o no fy e l l o wl 哪i n e s c e n c e 9 t h eg a nn a i l o 谢r ei s g r o w no nn o n p o l a ra p l 锄eg a nb ym o c v d n l e a b s t r z l c t v n a i l o 晰r eo r i g i n 舶mt 量l ep o l y c r y s t a l l i i l eg a no nt h et i n t 1 1 en a l l o 诹r eh a sav e 珂h i 曲 辱 o w t l ls p e e d f u n h e rm o r e m eg a f a c e 锄dn f a c en a n o w i r ea r e 伊o w na tt l l es 锄e t i m e 也em e t h o dh 硒ag o o ds 0 1 u t i o nt ot h ep r o b l e mo fs l o wg r o w t l lr a t eo fg a n n a n o w i r e k e yw o r d s m o c v d n o n p o l a rg a n s e l i l i p o l a rg a n t i n y e l l o wl u i 1 i n e s c e n c e i m p u r i t ri n c o 叩o r a t i o n 非极性和半极性g a n 的生长及特性研究 第一章绪论 第一章绪论 自2 0 世纪5 0 年代以来 以s i 为代表的第一代半导体材料制造的各种电子器件 导致了以集成电路为核心的微电子工业快速的崛起和发展 促进了整个i t 产业的 腾飞 改善了人类的生活质量 为了满足高频 高增益 低噪声的需要 以g a a s 和i i l p 为代表的第二代化合物半导体材料制造的电子器件应运而生 由于它们属于 直接带隙半导体材料 非常适合于制备发光二极管 l e d 和半导体激光器 l d 随 着时代的发展和科技的不断进步 第一代半导体材料s i g e 和第二代半导体材料 g a a s i n p 等己不能完全满足人们生产和生活需要 宽禁带 e g 2 3 e v 半导体材料 包括i i i 族氮化物 z n 0 s i c 等第三代半导体材料日益引起人们的重视 其中g a n 基半导体材料是最为重要的一类宽禁带直接带隙半导体材料 g a n 材料由于具有高 电子漂移饱和速度 禁带宽度大 导电性能良好 化学稳定性高等优点 已经在 照明 导弹 雷达 通信 航空航天等领域得到了广泛的应用 同时由于其具有 抗辐射 耐高温等特点而使其更具有极大的发展空间和市场前景 1 1 非极性材料的研究意义 1 1 1g a n 材料的发展历程 制备高质量的g a n 薄膜材料 是研制g a n 基功率器件和发光器件的基础 特别 是对后端器件的可靠性有着决定性的影响 g a n 外延生长方法目前主要有三种 分 子束外延 m b e 金属有机物化学气相淀积 m o c v d 和氢化物气相外延 h v p e 等 一般情况下 用m b e 法得到的g a n 晶体质量最好 m o c v d 法次之 h v p e 法 最差 同时h v p e 法生长的速率最高 m o c v d 法次之 m b e 法最低 因此目前 主要用m b e 法和m o c v d 法生长材料的基底和全结构 而h v p e 法得到的g a n 外延 层的质量目前还无法直接用于器件制造 特别是在需要精细控制各层的厚度和结 构的情况下 用h v p e 法得到的g a n 外延层目前主要是作为m o c v d 法和m b e 法同 质外延的衬底材料 由于m o c v d 系统比m b e 系统简单 对真空度的要求也比m b e 系统低的多 因此目前主要用m o c v d 法生长g a n 材料以及l e d 全结构 m o c v d 设备的日趋成熟也不断地推动着l e d 的大规模产业化 由于g a n 体单晶的制备非常困难 所以目前的外延生长一般都是在蓝宝石 硅 碳化硅等衬底上进行的异质外延 但是 g a n 薄膜和异质外延的衬底之间具有非常 大的晶格失配和热失配 在相当长的时期内得不到高质量的g a n 薄膜材料 更无法 2 非极性和半极性g a n 的生长及特性研究 制备出高性能的器件 并且外延的g a n 材料通常具有极高的背景载流子浓度 g a n 材料质量的提高经历了几代人几十年的努力 1 9 6 9 年h p m a n l s l a 等人 采用传统生长g a a s 的方法生长了g a n 单晶材 料 但是用这种方法生长的g a n 材料具有极高的背景载流子浓度 其浓度达到了 1 0 1 i n j 他们认为这么高的电子浓度和镓空位有关 并且通过g e 掺杂实现了p 型 但是这种p 型却很难重复 同时材料也呈现出了不均匀的电学性质的特点 1 9 7 3 年g d o c l o c k j r 等人 1 2 采用气相外延的方法 在8 0 0 的条件下 在 蓝宝石衬底上生长了g a n 薄膜 材料也呈现出了n 型的特点 1 9 8 3 年s y o s h i d a 等人 1 3 用m b e 的方法在蓝宝石衬底上首先生长了l1 0 0 的 高温a l n 成核层 随后生长了g a n 薄膜 通过此方法生长的薄膜材料具有更高的霍 尔迁移率和阴极荧光强度 1 9 8 6 年h a m a n o 等人 1 1 4 j 利用m o c v d 方法采用a l n 缓冲层在 0 0 0 1 面蓝宝石 衬底上成功生长了g a n 薄膜 x 射线衍射 x m 的 0 0 6 面摇摆曲线的半高宽为2 7 2 0 4 面摇摆曲线的半高宽为1 8 6 材料质量较以前有了很大提高 1 9 9 1 年s n a l 锄u r a 等人1 1 5 j 制造了第一只g a n 蓝光发光二极管 从而使l e d 的产业化成为了可能 1 9 9 2 年v a i lv e c h t e n 等人1 1 6 j 指出在直接生长的m g 掺杂g a n 中会形成m g h 复合 体 从而使m g 受主被钝化 找到了p 型掺杂困难的原因 1 9 9 2 年n a k a m u r a 等人 1 7 j 发现将掺m g 的g a n 材料在n 2 气氛或真空下退火也能 激活m g 施主 并用这种方法成功制备了长寿命的短波长l d 和l e d 而1 9 9 3 年出现 了第一只g a n 蓝光发光二极管的商业产品 从此以后g a n 材料与器件的研究逐渐成 为化合物半导体领域的研究热点 得到了较大的进展 1 9 9 7 年f b e m 砌i 1 1 i 等人 1 8 j 从理论上论证了i i i 族氮化物材料具有很强的自发 极化效应 并且深入研究了i i i 族氮化物材料极化效应的线性和非线性模型 定量 的给出了有关物理量的理论值 从此 有着极化效应的异质结器件越来越多的引 起大家的兴趣 并取得了长足的进步 图1 1a l g a l x n ga n 异质结构能带示意图 第一章绪论 图1 1 所示为典型的舢x g a i x n g a n 异质结构能带示意图 这种异质结构的显著 特点是 导带不连续性 e c 非常大 这主要是由于朋n 和g a n 巨大的禁带宽度差异 造成的 一般情况下 a l n 的禁带宽度为6 2 e v 而q i n 的禁带宽度为3 4 e v 另外 一方面是a l x g a l n 势垒层中的极化电场 m v c m 对能带结构的调制 大的 e c 有 利于对二维电子气 2 d e g 起到限制作用 增加2 d e g 的浓度 大的导带不连续性和 强的自发极化和压电极化效应 使得a l x g a l 呻 n g a n 异质结界面2 d e g 面密度高达 2 1 0 1 3 c m 之 1 9 1 1 正是有了这种极化效应 使得不需要进行掺杂 舢 g h 卜x n g a n 异质结就具有优异的电学特性 能够广泛的制作各种功率器件 然而 对于光电 器件来讲 这种极化效应是有害的 1 1 2 量子阱中的量子限制斯塔克效应 a p 蓊 枣 b c t a l 一 曩a o e sp 图1 2 沿着不同轴相的g a i n n 船a n 量子阱示意图 a c e 六方g a n 的c 轴 m 轴和a 轴示意图 b d f 1 1 2 1 由上面的论述我们知道 常规的g a n 是在极性面c 面蓝宝石衬底上生长的 g a n 基高电子迁移率晶体管的出色性能主要因为舢g a g a n 异质结界面存在着高密度 和高迁移率的2 d e g 这层2 d e g 是由于异质结中较大的导带不连续性以及较强的 极化效应产生的 但是这种极化效应在光电器件当中是有较大危害的 由于极化 引起的内建电场的存在使能带弯曲 倾斜 能级位置发生变化 强大的极化电场 还会使正负载流子在空间上分离 电子与空穴波函数的交迭变小 使材料的发光 效率大大的降低 这称为量子限制斯塔克效 q c s e 1 j 孓1 j 5 1 q c s e 的效果可以通过 图1 2 a 表示出来 在有极化电场的情况下 导带和价带均出现了弯曲 此时不仅 电子和空穴波函数交迭的区域变小 同时发光波长也会出现红移 图1 2 c 和1 2 e 蕊妻一 芟曼 蕊妻 蔓一 4非极性和半极性g a n 的生长及特性研究 分别是非极性 1 1 0 0 m 面和 1 1 2 0 a 面g a n 上量子阱的情况 此时由于在量子阱的 方向上没有极化效应 因此不会产生图1 2 a 所示的能带弯曲的情况 1 2 非极性材料的研究现状及进展 自从1 9 9 3 年 蓝光之父 中村修二 n a l 锄u r a 采用退火技术解决了g a n 中的p 型 掺杂问题 并成功地在蓝宝石衬底上制作出了高亮度的蓝光发光l e d 以后 使得 l e d 可望成为继白炽灯 荧光灯和高强度气体放电灯之后的第四代照明光源 与 传统的照明光源相比 l e d 半导体照明光源具有发光效率高 体积小 寿命长 节能 环保的优点 根据飞利浦 p h i l i p s 的预测 2 0 2 0 年l e d 照明将占全体照明市 场的9 0 传统普通照明只剩下1 0 的市场占有率 我们上面提到的q c s e 严重影 响着l e d 器件的发光效率 因此对非极性g a n 的研究成为了目前g a n 研究的热点 2 0 0 0 年 p w m t e r e i t 6 等人首先在l i 甜0 2 衬底上制备了非极性a 面g a n 从而 开创了非极性a 面g a n 的研究先河 从此非极性g a n 材料得到了足够的重视并被广 泛的研究 2 0 0 2 年 m d c r a v e n 7 等人用m o c v d 技术采用低温g a n 成核层的方 法在 1 1 0 1 r 面蓝宝石衬底上生长了非极性a 面g a n 薄膜 研究了材料的位错和层 错 发现a 面ga n 和常规c 面g d n 相比具有非常高的位错密度 他们生长的非极性材 料中的位错密度为2 6 1 0 1 0 c m 之 2 0 0 2 年m d c i i a v e n 8 等人采用传统c 面g a n 中横 向外延过生长 e l o g 的方法 在r 面蓝宝石衬底上尝试进行非极性a 面g a n 的生长 他们采用各种方向的s i 0 2 条纹来做掩膜 结果表明当s i 0 2 条纹沿着面内 0 0 0 l c 轴 的时候 材料的位错密度经过横向外延以后依然很高 同时这个方向的掩膜对堆 垛层错的降低作用很小 当s i 0 2 条纹沿着面内 1 1 0 0 m 轴的时候 对位错和堆垛层 错密度都有一定程度的降低 e l o g 技术是目前g a n 材料生长中经常用到的降低位 错密度的方法 但是生长过程中增加了淀积s i 0 2 和光刻的过程 大大增加了工艺的 复杂度和成本 2 0 0 3 年b a h a s k e l l 9 等人尝试采用h v p e 的方法并采用e l o g 的 技术 生长了无裂纹1 2 5 呻厚的非极性a 面g a n 生长速率可以达到1 6 5 0 岫 1 l l 但表面形貌很粗糙 材料的结晶质量依然很差 2 0 0 4 年p m o bm i s r a 等人l l 2 u j 在 l i a l 0 2 衬底上生长了非极性m 面g a n 详细讨论了非极性材料的各向异性问题 并 认为各向异性和材料的应力关系很大 非极性材料的应力越大材料的各向异性就 越严重 2 0 0 5 年b a h a s k e l l 1 2 1 等人在 1 0 0 丫面l i a l 0 2 和 1 1 0 0 面6 h s i c 衬底上 分别用m b e 技术生长了非极性m 面g a n 底板 然后采用e l o g 技术用h v p e 生长了 非极性m 面g a n 材料质量较以前有了明显的提高 但是表面粗糙度依然很大 由于非极性q l n 材料中的位错密度较高 还有极性材料中很少出现的层错 加 之非极性材料内部的各向异性 自从非极性材料开始研究之后相当长的时期内都 是对材料的研究 2 0 0 6 年t k o y 锄a 1 2 2 等人在非极性m 面自支撑衬底上做出了非极 第一章绪论 性m 面l e d 他们首先在丫 舢0 2 上用h v p e 的方法生长较厚的m 面g a n 然后剥离 掉衬底形成m 面的自支撑衬底 在自支撑衬底上制作了5 个周期的4 胁 i i l 0 1 7 g a o 8 3 n 1 6 1 1 1 1 1 g a n 量子阱 在3 0 0 k 下内量子效率为3 4 低于常规c 面蓝宝石 上制作的c 面l e d 7 0 非极性材料理论上没有q c s e 的影响 应该具有更高的 效率 但是在现有的非极性材料的质量情况下 这种优势没有得到体现 所以 目前几乎所有非极性ga n 的研究小组都将重点放在非极性g a n 的材料研究上 2 0 0 7 年m a s a y u l ik u r o d a 1 2 3 j 等人在r 面蓝宝石衬底上生长了非极性g a n a l g a n 异质结 并制作了晶体管 以前的异质结都是在c 面蓝宝石上制作的 由于较强的极化作用 可以形成密度为 1 0 1 3 锄之的二维电子气 这些高密度的电荷使得c 面上的晶体管很 难制作增强型器件 一般可以通过凹槽栅结构来实现增划1 2 4 1 2 卯 但是通过干法 刻蚀实现凹槽是不容易重复的 而且刻蚀过程中还会带来损伤 给器件引入新的 问题 在非极性材料上制作准增强型的场效应晶体管也为非极性材料的应用开辟 了一个崭新的空间 2 0 0 7 年k e n i i i s o l l 2 6 j 等人采用同质外延的方式极大提高了非极性材料的质量 他们所采用的同质外延的衬底不是传统的在r 面蓝宝石上或者y 面l i a l 0 2 上用h v p e 的方法通过长厚得到的非极性g a n 衬底 他们所得到的非极性衬底依然来自于c 面 g a n 由于c 面g a n 的外延技术很成熟 所以他们借用c 面g a n 的生长技术得到了很 高质量的非极性g a n 衬底 首先在c 面蓝宝石上用h v p e 生长很厚的c 面g a n 晶体 然后沿着面内特定的方向进行切割 切出m 面的g a n 衬底 然后对所切的m 面g a n 衬底进行化学和机械的抛光处理 经过处理以后材料的均方根粗糙度 r m s 小于 1 m n 他们研究发现 在相同的生长工艺条件之下 在c 面蓝宝石上生长的量子阱 的发光波长比在m 面g a n 上生长的非极性m 面量子阱的波长要长 这主要是由两个 方面的因素决定的 第一 有了q c s e 影响以后 发光波长出现红移 第二 在相 同的生长条件之下 非极性面和极性面i n 的结合效率差异较大 一般情况下i n 在极 性c 面g a n 中的结合效率明显高于在非极性面g a n 中的效率 采用这种同质外延方 法得到的l e d 的发光效率依然不如在c 面蓝宝石衬底上制作的极性c 面l e d 的发光 效率 但他们的研究结果显示了非极性材料的一个重要优势 如图1 3 所示 当驱 动电流从1 i n a 增加到1 0 0 m a 的时候c 面l e d 的电致发光 e l 谱峰位漂移为6 1 n m 而 m 面l e d 的e l 谱峰位漂移仅仅为3 7 眦 这主要由于在结的方向没有极化引入的电 场 从而使非极性材料上的l e d 有更小的峰位漂移 6非极性和半极性g a n 的生长及特性研究 o2 04 06 08 01 0 0 c u 鹏憎 m a 图1 3 在不同的驱动电流下m 面和c 面l e d 的e l 谱半高宽 f w h m 及峰位漂移 1 2 6 采用同质外延得到的非极性材料质量虽然较以前有了很大提高 但代价太大 由于非极性材料的应用市场主要是在光电方面 所以在低成本的蓝宝石上生长非 极性g a n 才是它的发展方向 在蓝宝石上生长非极性g a n 的主要问题还是材料的质 量较差 2 0 0 8 年k w a m gc h o o n gk i m l l 27 j 等人采用侧墙横向外延过生长 s l e o 的方 法在m 面6 h s i c 衬底上生长了m 面非极性g a n 材料质量得到了较大的提高 这种 方法的核心思想和常规e l o g 技术的不同点是 常规的e l o g 方法刻蚀的过程中仅 仅是把表层s i 0 2 刻掉 1 2 昏1 3 2 1 而这种s l e o 方法除了把表层的s i 0 2 刻掉以后还要把 下面的g a n 层刻掉 让g a n 从侧面生长出来 然后向上生长 最后再通过掩膜合并 它的优点就是作为种子层的g a n 就是通过横向生长得到的 所以材料质量有明显的 提高 具体过程如图1 4 所示 但是采用这种方法的工艺流程依然较复杂 c o a j e s c e n c c b i d 图1 4s l e o 方法的示意刚1 矧 2 0 0 8 年 t h e e r a d e t c hd e t c h p r o h m l l 3 3 j 等人在用h v p e 生长的c 面g a n 上切出了非 极性a 面g a n 衬底材料 在这种非极性a 面g a n 衬底上生长了波长为5 2 0 5 4 0m 的非 极性绿光l e d 全结构 同时和直接在r 面蓝宝石上生长的非极性绿光l e d 全结构进 行了比较 发现采用同质外延衬底的l e d 输出功率是异质外延衬底的三倍 2 0 0 9 年 s u n g m i nh w a j l g 1 3 4 等人在r 面蓝宝石衬底上制作了非极性a 面l e d 全结构 他们的研究表明 非极性材料的结晶质量强烈地影响着非极性l e d 的性 能 当a 面g a n 底板的x r d 的半高宽大于7 0 0a r c s e c 时 在它上面制作的l e d 很难发 鲇 舾 巧 阳 钙 舶 5 4 4 4 4 4 4 4 4 一 cc c oc eim ewjv im 口乱 第一章绪论 7 光 而当 1 m 的半高宽为5 4 0 盯c s e c 时 在2 0 i n a 的电流下他们得到的输出功率可以 达到2 0 1 0 0 w 由此可以看出 非极性g a n 的研究重点还是在材料方面 非极性 l e d 最终能否大规模应用取决于非极性材料的进展程度 2 0 1 0 年 t l l e e m d e t c hd e t c h p r 0 1 1 r i l 1 3 5 等人采用同质外延的方法在非极性m 面 g a n 底板上生长了非极性蓝光和绿光全结构 当工作电流增大时 l e d 的波长漂移 都较小 同时他们发现了材料在长波长下工作后会形成更多的缺陷 这种应力引 起的缺陷会对器件的发光效率产生重要影响 从以上可以看出 自从非极性材料被提出并开始研究以来 非极性材料目前 的发光效率还有很大的提高空间 主要问题还是材料问题 所以目前非极性材料 研究的重中之重是提高其结晶质量 大部分的研究机构也把重心放在了材料上面 i 1 3 西l 4 引 非