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High-Quality and Strain-Relaxation GaN Epilayer Grown on SiC Substrates Using AIN Buffer and AlGaN Interlayer

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Chinese Physics Letters 2017年第4期34卷 108-111页

作者：刘波亭郭仕宽马平王军喜李晋闽 Semiconductor Lighting R&D Center Institute of SemiconductorsChinese Academy of SciencesBeijing 100083 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049 State Key Laboratory of Solid State Lighting Beijing 100083 Beijing Engineering Research Center for the Third-Generation Semiconductor Materials and Application Beijing 100083

We study the effect of the AlGaN interlayer on structural quality and strain engineering of the GaN films grown on SiC substrates with an AlN buffer layer, hnproved structural quality and tensile stress releasing are realized in unintentionally doped GaN thin films grown on 6H-SiC substrates by metal organic chemical vapor deposition. Using the optimized AlGaN interlayer, we find that the full width at half maximum of x-ray diffraction peaks for GaN decreases dramatically, indicating an improved crystalline quality. Meanwhile, it is revealed that the biaxial tensile stress in the GaN film is significantly reduced from the Raman results. Photoluminescence spectra exhibit a shift of the peak position of the near-band-edge emission, as well as the integrated intensity ratio variation of the near-band-edge emission to the yellow luminescence band. Thus by optimizing the AlGaN interlayer, we could acquire the high-quality and strain-relaxation GaN epilayer with large thickness on SiC substrates.

关键词： AlGaN In High-Quality and Strain-Relaxation GaN Epilayer Grown on SiC Substrates Using AIN Buffer and AlGaN Interlayer SiC AIN

AlGaN基深紫外微型发光二极管的研究进展(特邀)

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红外与激光工程 2023年第8期52卷 92-110,I0008页

作者：刘召强贾童许湘钰楚春双张勇辉张紫辉河北工业大学电子信息工程学院天津300401 河北工业大学天津市电子材料与器件重点实验室天津300401 河北省先进激光技术与装备重点实验室天津300401

随着AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)的发展,其不仅在杀菌消毒领域得到广泛应用,在日盲紫外光通信领域的应用也受到越来越多的关注。这主要是由于相比其他的紫外光源(如汞灯、激光),其具有功耗低、设计灵活且调制带宽高的优势。而DUV ... 详细信息

随着AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)的发展,其不仅在杀菌消毒领域得到广泛应用,在日盲紫外光通信领域的应用也受到越来越多的关注。这主要是由于相比其他的紫外光源(如汞灯、激光),其具有功耗低、设计灵活且调制带宽高的优势。而DUV LED的带宽严重依赖于器件尺寸,器件尺寸越小,其带宽越高。但是,随着深紫外微型发光二极管(μLED)的尺寸减少,尽管其带宽得到提高,但是其光功率却急剧下降,这严重限制了深紫外μLED在光通信中的应用。文中主要总结了深紫外μLED作为日盲紫外光通信光源的研究现状和综合分析尺寸效应引起器件性能的变化及其机理;并分析出低的光提取效率和严重的自热效应是影响深紫外μLED光功率的两个主要因素。进而综述了各种提高深紫外μLED光提取效率和改善热学特性的方法。文中将为从事深紫外μLED研究的工作者提供一定的研究方向指导。

关键词： AlGaN 深紫外微型发光二极管调制带宽光提取效率

GaN极性和AlGaN组分对薄膜光学性质的影响研究

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GaN极性和AlGaN组分对薄膜光学性质的影响研究

作者：卢海霞广西大学

学位级别：硕士

Ⅲ族氮化物半导体材料在光电器件方面具有举足轻重的地位,是微电子材料、光电子、电力电子等高科技产业及国防军工等支柱产业赖以发展的关键材料。Ⅲ族氮化物光电领域的进展主要归功于氮化物LED的发展。而半极性面氮化镓(GaN)量子阱结... 详细信息

Ⅲ族氮化物半导体材料在光电器件方面具有举足轻重的地位,是微电子材料、光电子、电力电子等高科技产业及国防军工等支柱产业赖以发展的关键材料。Ⅲ族氮化物光电领域的进展主要归功于氮化物LED的发展。而半极性面氮化镓(GaN)量子阱结构因其能够消除部分量子斯塔克效应,进一步提高LED的发光效率,而受广泛关注。铝镓氮(Al GaN)合金材料因其禁带宽度在3.4 e V-6.2 e V内连续可调,高Al组分的Al GaN薄膜是制备紫外LEDs、紫外LDs和紫外探测器的重要材料。然而Ⅲ族氮化物半导体器件大规模的商业化,提高Ⅲ族氮化物外延薄膜的结晶质量依旧十分重要。为了改善材料缺陷和应力问题,以提升半导体薄膜的光学特性。本文利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法,生长了极性和半极性GaN和不同Al组分的Al GaN薄膜外延材料。通过高分辨率X射线衍射(HR-XRD)、拉曼光谱(Raman)、椭圆偏振(SE)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)等表征手段,研究了材料的结构和光学性质等性质,为制备高质量高性能的GaN基器件提供了有价值的研究结果。主要内容和结论如下:(1)利用MOCVD技术在c面蓝宝石上制备极性GaN和在m面蓝宝石上制备半极性(11-22)面GaN薄膜。通过表征发现c面蓝宝石上的极性GaN和m面蓝宝石上的半极性GaN均表现出良好的晶体质量、发光、吸收和拉曼特性。c面蓝宝石上的GaN比m面蓝宝石上的GaN表现出更高的晶体质量。极性GaN的表面粗糙度小于半极性GaN。随着温度的升高,GaN的双轴应力由压缩转变为拉伸应力。极性GaN薄膜中的应力转变温度高于半极性GaN薄膜。GaN在极性和半极性取向上均显示出紫外线发光峰,而仅在极性GaN样品中观察到黄色发光峰。与拉曼光谱相关的振荡在两种GaN取向(极性和半极性)中都显示出随温度的系统性变化。这项工作为具有不同晶体极性的GaN的表征提供了一个研究思路。它有助于根据掺杂(In,Al等)、晶体质量、发射、吸收和光子振荡的应用和要求确定合适的晶体生长机制。(2)采用MOCVD技术在c面蓝宝石上生长了不同Al组分的AlGaN外延薄膜,通过高分辨X射线衍射、椭圆偏振光谱、紫外可见分光光度计、光致荧光光谱和拉曼光谱对不同Al组分的AlGaN外延薄膜进行了结构和光学性质的分析,得到了不同Al组分的AlGaN外延薄膜的晶体质量、厚度、粗糙度以及光学带隙。结果表明随着Al组分的增加,Al GaN晶格常数以及c/a逐渐减小,随着Al组分的增加薄膜外延层和缓冲层的厚度逐渐减少,而粗糙度逐渐增加。变温椭圆偏振光谱表明温度对高Al组分的Al GaN薄膜的带隙影响较大,而折射率受温度的影响较小。高Al组分的AlGaN外延薄膜所受的压应力更大。

关键词：极性和半极性GaN AlGaN 晶体质量椭圆偏振拉曼光谱

AlGaN基250nm肖特基型深紫外探测器的研究

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AlGaN基250nm肖特基型深紫外探测器的研究

作者：郑刚广西大学

学位级别：硕士

随着紫外探测器研究的不断深入,紫外探测器的应用场景也日益丰富。在民用领域,这类探测器可以用于火灾预警,烟雾测试等。在军事领域,火箭的尾炎测试,战场的情报传递等方面也可采用此类器件。紫外探测器的种类繁多,而以AlGaN为基底的探... 详细信息

随着紫外探测器研究的不断深入,紫外探测器的应用场景也日益丰富。在民用领域,这类探测器可以用于火灾预警,烟雾测试等。在军事领域,火箭的尾炎测试,战场的情报传递等方面也可采用此类器件。紫外探测器的种类繁多,而以AlGaN为基底的探测器有着许多优势:更高的光电转换效率,更优异的极端环境适应性,更简单的结构,更易形成集成阵列等。这些优势来源于AlGaN材料本身所具有的优异物理特性。它有着高电子漂移速率,高击穿电场,高热导率等优点。另外,通过调节Al在材料中的占比,材料的禁带宽度可以在3.4 e V到6.02 e V之间连续调节,从而实现200～365 nm的全波段覆盖。本文主要研究以金属-半导体-金属为主要结构的AlGaN基肖特基型探测器。取得的主要研究成果如下:(1)设计并制造了一种新型的金属-半导体-金属深紫外探测器。在AlGaN基底上创新性的使用了Ti作为接触金属(Ti/Ni/Au)来降低肖特基势垒高度,从而降低器件的工作电压。最终,器件在873.15 K下退火9 min后获得了最佳的光电性能:在14 V的偏置电压下量子效率达到了2160%,响应度达到了4.24 A/W,光暗电流比达到了1000。该探测器的性能超过了绝大多数已报到的同类型探测器。该探测器的低工作电压与高增益主要依赖于与接触界面处的低势垒高度;隧道效应和镜像力导致的势垒降低;外加电压升高后空间电荷区的拓展。(2)本文探究了退火对器件性能的影响。本文设计了573.15～973.15K的退火温度梯度实验与9～11 min的退火时间的梯度实验。最终确定了最佳的退火温度为873.75 K,退火时间为9 min。此时,接触层金属通过扩散作用填充了界面处的缺陷,肖特基接触质量得到提高。(3)我们设计5μm×5μm与5μm×8μm的电极对数均为30对的两种探测器。研究发现器件的光电转换效率与电极间距有关。宽的金属电极会使得光生载流子的运输时间增长。该过程中的载流子损耗会使得光电转换效率明显降低。因此,电极布局同样是影响光电性能的重要因素。

关键词： AlGaN 紫外探测器金属-半导体-金属

A 357.9 nm GaN/AlGaN multiple quantum well ultraviolet laser diode

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Journal of Semiconductors 2022年第1期43卷 15-17页

作者： Jing Yang Degang Zhao Zongshun Liu Feng Liang Ping Chen Lihong Duan Hai Wang Yongsheng Shi State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics Institute of SemiconductorsChinese Academy of SciencesBeijing 100083China School of Electronic Electrical and Communication EngineeringUniversity of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China

Ultraviolet(UV)and deep-UV light emitters are prom-ising for various applications including bioagent detection,wa-ter and air purification,dermatology,high-density optical stor-age,and lithography.However,to achieve shorter UV laser di-odes(LDs),especially for the LDs with lasing wavelength less than 360 nm,requires high AlN mole fraction AlGaN clad-ding layer(CL)and waveguide(WG)layers,which usually leads to generate cracks in AlGaN epilayer due to lack of lat-tice-matched substrates.Meanwhile,due to high resistivity of high AlN mole fraction Mg doped AlGaN layers,only few groups have reported GaN-based LDs with emission wavelength shorter than 360 nm[1−8],and up to now,there is no room temperature continuous-wave(CW)operation UV LDs with a lasing wavelength shorter than 360 nm ever repor-ted.Previously,we have reported a UV LD with lasing wavelength of 366 nm[9].In this paper,a higher AlN mole frac-tion of AlGaN WG layers is employed to shorten the LD emis-sion wavelength to less than 360 nm.A lasing wavelength of 357.9 nm is achieved.

关键词： AlGaN laser waveguide

InGaN，AlGaN发光材料的热输运性质研究

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InGaN，AlGaN发光材料的热输运性质研究

作者：齐程东江西科技师范大学

学位级别：硕士

InGaN和AlGaN是GaN基LED器件中的关键材料,但目前对InGaN和AlGaN热输运性质的研究还比较少,且多集中于热导率的测量和LED器件的设计,缺乏对材料热导率变化机理的系统探索。本文采用第一性原理计算方法结合声子玻尔兹曼输运方程,围绕GaN... 详细信息

InGaN和AlGaN是GaN基LED器件中的关键材料,但目前对InGaN和AlGaN热输运性质的研究还比较少,且多集中于热导率的测量和LED器件的设计,缺乏对材料热导率变化机理的系统探索。本文采用第一性原理计算方法结合声子玻尔兹曼输运方程,围绕GaN、InGaN和AlGaN的热输运问题,从晶体结构、热导率的声子贡献、声子输运性质和电子性质等方面进行了深入研究,本文研究结果揭示了GaN合金材料热导率变化机理,为光电器件的散热设计提供了理论依据。主要研究结果如下:计算得到了InGaN和AlGaN的热导率,其中InGaN沿面内和面外方向热导率分别为7.38和8.62W/m K,AlGaN沿面内和面外方向热导率分别为12.45和11.80 W/mK,相对于GaN均有大幅度的降低。进一步对材料的声子及电子性质进行分析,得出InGaN和AlGaN相对于GaN热导率降低的原因如下:1.InGaN和AlGaN的声子群速度和声子弛豫时间低于GaN,热导率与声子群速度成正比,并且声子寿命会随着声子弛豫时间缩短而减少,从而导致材料的热导率降低;2.InGaN和AlGaN的声子非谐性要强于GaN,声子非谐性增加会对材料的声子-声子散射产生有利的影响,从而使得InGaN和AlGaN的热导率更低;3.受到In原子和Al原子的原子半径和质量的影响,晶体对称性被破坏,In-N键和Al-N键的极性强于GaN,从而对InGaN和AlGaN的热导率产生负面影响。另外,在研究中发现AlGaN热导率的各向异性与GaN相反,这是由于AlGaN中声子在面内和面外方向上的贡献相对于GaN具有不同的变化率,其在面内方向变化的幅度比在面外方向变化的幅度大得多。通过本文的研究,直观深入地揭示了GaN、InGaN和AlGaN的热输运性质的机制,这对于GaN及其相关材料的广泛应用、LED器件中的热管理问题以及相关半导体材料的热输运性质研究具有指导意义。

关键词：第一性原理玻尔兹曼输运方程 GaN InGaN AlGaN 热导率声子输运

AlGaN基255 nm LED的光衰特性分析与应用研究

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AlGaN基255 nm LED的光衰特性分析与应用研究

作者：邓少东广西大学

学位级别：硕士

在新冠疫情长期存在的大环境下,具有节能环保、安全高效、低电压且快速切换等特点的AlGaN基的深紫外发光二极管(DUV LED)有望开拓便携式消毒杀菌的新时代。但UV LED远低于蓝光LED内量子效率的问题和易于受环境影响的现象限制了UV LED应... 详细信息

在新冠疫情长期存在的大环境下,具有节能环保、安全高效、低电压且快速切换等特点的AlGaN基的深紫外发光二极管(DUV LED)有望开拓便携式消毒杀菌的新时代。但UV LED远低于蓝光LED内量子效率的问题和易于受环境影响的现象限制了UV LED应用发展。探究制约UV LED光功率和寿命的内在机制是可靠性分析的重点,其失效机制还不够完善,特别是对于具有最佳消毒速度的高Al组分255 nm LED的而言,相关的光功率衰退机制研究更是少之又少。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)研究了AlGaN基的255 nm LED在温度应力下的两个热降过程的机理,以便在较宽的温度范围内获得稳定的光输出。研究发现,在高温(>300 K)下的热降过程中,低正向偏置区的漏电流增加伴随着靠近p侧的量子阱的表观电荷浓度(ACD)的降低,表明热缺陷的激活增强了陷阱辅助隧穿效应,并导致低电流下光功率的下降更为显著。与常温相比,低温下的低发射功率归因于少子陷阱H,根据DLTS信号谱分析,其在190 K下的活化能为0.527 e V。在175 K以上的低温下,由于空穴注入增强,光功率随着温度的升高而增加。通过对热降特性的分析得出结论,热缺陷的激活可能是AlGaN基255 nm LED高温热降的原因,而与镓空位复合体相关缺陷有关的空穴陷阱H是低温热降重要来源。(2)采用多种光电表征方法,研究了AlGaN基255 nm LED在恒流应力下寿命快速下降的老化过程。通过实验与仿真得到的p侧第三个量子阱的施主浓度变化与光功率快速下降的行为相联系,推测出第三个量子阱中深能级相关缺陷的产生,增强了非辐射复合从而导致光功率快速下降。(3)利用AlGaN基255 nm LED的小巧、低开启电压、节能环保等的特点,研究设计了一种具有伸缩结构消毒机器人,能自动移动并根据与物体的距离来调节杀菌的功率和杀菌时间,还能探测周围的人体和动物距离来判断消毒的开关,避免紫外线对人体直接照射。

关键词：深紫外LED AlGaN 缺陷仿真可靠性 SiLENSe

Review on the Progress of AlGaN-based Ultraviolet Light-Emitting Diodes

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Fundamental Research 2021年第6期1卷 717-734页

作者： Yuxuan Chen Jianwei Ben Fujun Xu Jinchai Li Yang Chen Xiaojuan Sun Dabing Li State Key Laboratory of Luminescence and Applications Changchun Institute of OpticsFine Mechanics and PhysicsChinese Academy of SciencesChangchun 130033China Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China State Key Laboratory of Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics School of PhysicsPeking UniversityBeijing 100871China Fujian Key Laboratory of Semiconductor Materials and Applications CI Center for OSEDCollege of Physical Science and TechnologyXiamen UniversityXiamen 361005China

AlGaN-based materials have exhibited considerable potential for fabricating ultraviolet(UV)light-emitting diodes(LEDs)owing to their direct,wide,and adjustable energy bandgap.AlGaN-based devices have extensive appli-cability owing to their stable physico-chemical properties.With decades of research effort,significant progress has been achieved in enhancing the working efficiency of AlGaN-based LEDs by optimizing the crystalline qual-ity,doping efficiency,and device design.In this review,methods to obtain high-quality AlGaN-based materials,achieve high doping efficiency,and design UV-LED structures are summarized and discussed.Finally,the issues that need to be addressed in AlGaN-based UV-LED devices are highlighted.

关键词： AlGaN Growth of AlGaN-based material Doping UV-LED

Excellent-Performance AlGaN/GaN Fin-MOSHEMTs with Self-Aligned Al_2O_3Gate Dielectric

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Chinese Physics Letters 2016年第9期33卷 124-127页

作者：谭鑫周幸叶郭红雨顾国栋王元刚宋旭波尹甲运吕元杰冯志红 National Key Laboratory of Application Specific Integrated Circuit Hebei Semiconductor Research Institute

A1GaN/GaN fin-shaped metal-oxide-semiconductor high-electron-mobility transistors （fin-MOSHEMTs） with dif- ferent fin widths （30Ohm and lOOnm） on sapphire substrates are fabricated and characterized. High-quality self-Migned Al2O3 gate dielectric underneath an 80-nm T-shaped gate is employed by Muminum self-oxidation, which induces 4 orders of magnitude reduction in the gate leakage current. Compared with conventional planar MOSHEMTs, short channel effects of the fabricated fin-MOSHEMTs are significantly suppressed due to the tri- gate structure, and excellent de characteristics are obtained, such as extremely fiat output curves, smaller drain induced barrier lower, smaller subthreshold swing, more positive threshold voltage, higher transconductance and higher breakdown voltage.

关键词： AlGaN in HEMT for Excellent-Performance AlGaN/GaN Fin-MOSHEMTs with Self-Aligned Al2O3Gate Dielectric with Gate