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硅衬底GaN光学性能及芯片出光效率的研究

硅衬底GaN光学性能及芯片出光效率的研究

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作者：王君君南昌大学

学位级别：硕士

GaN是一种宽禁带半导体材料,它具有高电子迁移率、高热导等优异的物理性质,近来受到人们的广泛关注。GaN基材料广泛地被用于蓝、绿、紫外发光二极管和激光器,以及高温大功率器件。Si衬底具有廉价、尺寸大、热导率高和容易加工等优点,因... 详细信息

GaN是一种宽禁带半导体材料,它具有高电子迁移率、高热导等优异的物理性质,近来受到人们的广泛关注。GaN基材料广泛地被用于蓝、绿、紫外发光二极管和激光器,以及高温大功率器件。Si衬底具有廉价、尺寸大、热导率高和容易加工等优点,因而成为继蓝宝石和碳化硅之后,可以进行批量生产LED的衬底。纤锌矿结构的(0001)GaN与金刚石结构的Si(111)衬底的晶格失配为20.4%,将产生大量的位错。GaN与Si之间的热失配高达56%,外延生长结束后的降温过程中,外延层将承受很大的张应力。近年来,Si衬底上GaN材料的生长取得重大进展,技术日趋成熟,但是仍有些问题亟待解决,如外延质量的更大提高,成本及效率等。本文围绕Si衬底上GaN材料生长,就改善波长均匀性及光强提高进行了研究,采用PL mapping测试系统、荧光显微镜、双晶X射线衍射仪等进行了系统研究。在本实验室改进的Thomas Swan MOCVD上进行外延生长工艺调整,内容如下： 1、在N型层氮化镓中生长一个1000A,8%In组分的InGaN插入层,研究其不同的插入位置0.27μm、0.4μm、0.53μm和1.0μm对波长均匀性的影响。InGaN插入层在N层GaN中的位置对量子阱的影响是不同的,太近或者太远都将产生不利影响。 2、通过优化准备层中In组分的大小和生长条件,在不改变后面有源区量子阱生长条件的基础上研究对量子阱中In组分的影响,同时通过优化准备层的In组分提高载流子扩展的均匀性。优化后可得到的外延片结果是主波长521.46nm,标准偏差6.38nm,半峰宽33.35nm。 3、研究生长中断以及生长cap层时载气类型对量子阱发光特性的影响。“停长30s"会使量子阱InGaN分解,用1000H2长cap层会使量子阱InGaN严重分解,量子阱在FL下均匀性差。由此可见氮载气中加入H2比停长对量子阱的影响更大。 4、对不同阱层宽度的量子阱结构进行了波长均匀性、半峰宽以及光强等特性的比较。当量子阱层厚度改变几个纳米就可使得PL发生变化。减薄阱层,波长增大,均匀性也变好。但薄阱的PL强度下降,可能是受界面的非复合辐射中心的影响。 5、在大NH3量条件下生长MQWs,分别探索了固定In,Ga比,小TMIn/(TMIn+TEGa)比值;固定Ga改变In;固定In改变Ga对波长均匀性及光强的影响。三种实验条件下综合考虑光强,生长速率,波长均匀性,都出现较好的结果。本文最后基于通过晶片键合技术获得具有N面朝上垂直结构的GaN LED研究了表面图形对外量子效率的影响。实验结果表明：相比于常规的LED,经图形化刻蚀后N面粗化可使外量子效率提高6%。表面图形不仅增加了光出射的面积,而且还使部分先前满足全反射的光被提取出来。此外,本实验方法并不会影响芯片的其他性能。

关键词：金属有机物气相沉积 InGaN/GaN量子阱插入层波长均匀性光强

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