文档介绍：西安电子科技大学
硕士学位论文
高Al组分AlGaN/GaN半导体材料的生长方法研究
姓名:周小伟
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:郝跃
20100401
摘要
摘要
GaN 基 LED 技术是实现半导体照明的关键技术,GaN 基深紫外 LED 不仅具
有高的白光转化效率,而且还在医疗、净化等方面有重要的应用。然而制备深紫
外 LED 所需的高 Al 组分 AlGaN 材料的生长、掺杂一直是限制器件发展的关键因
素。
本文在此背景下展开了对 GaN 基深紫外 LED 的研究工作,主要涉及 AlN、高
Al 组分 AlGaN 材料的生长,AlGaN 材料的 n 型和 p 型掺杂及 UV LED 器件研制等
多方面,主要研究成果如下:
1、成功得到了氮化物半导体材料生长的最佳缓冲层厚度值,发现过厚或过薄
的低温 AlN 缓冲层都不利于氮化物半导体材料的生长。
在自主 MOCVD 系统上,脉冲生长实现了高质量的 AlN 材料,其 XRD(002)
面的半高宽最小只有 43arcsec,(102)面半高宽最小为 228arcsec。
通过对 AlN 基板上不同 Al 组分的 AlGaN 材料生长,得到不同 Al 组分 AlGaN
材料生长时的应力变化关系。发现当其所受的张应力和压应力处于一种平衡的状
态时,AlGaN 材料有最佳的材料质量。
2、通过 AlGaN/AlN 超晶格结构(SLs)提高了 AlGaN 材料的生长质量。发
现 SLs 的周期厚度对 材料质量有重要影响,SLs 结
构不仅可以阻挡位错在薄膜生长时的延伸,而且可调控薄膜中的应力;研究得到
最优的 SLs 层厚度为 7nm,并生长出了高质量的 材料,其(002)面
XRD 摇摆曲线的 FWHM 值仅为 259arcsec,(102)面也只有 885arcsec; AFM 测
得其表面有明显的原子台阶,粗糙度仅为 。
成功得到 AlGaN 材料生长时的 Al 组分与 TMA/(TMA+TEG)的关系;发现
AlGaN 材料的表面粗糙度随 Al 组分的增加而增大;得到高质量的不同 Al 组分的
AlGaN 材料,其表面均有明显原子台阶。
3、实现了 AlGaN 材料的 n 型和 p 型有效掺杂。研究了 Al 组分对于 AlGaN
材料 n 型掺杂的影响,研究了 SiH4 掺入量与 n 型载流子浓度的变化关系,得到精
确控制 AlGaN 材料的 n 型掺杂的工艺条件。
通过对生长温度、Mg 源掺入量及退火温度的优化,实现了 AlGaN 材料的 p
型高质量掺杂,得到 p 型掺杂的 Al 组分为 的 AlGaN 材料的电阻率值仅为
•cm,为此 Al 组分值 AlGaN 体材料 p 型掺杂的最佳值。
采用 AlGaN/GaN 超晶格结构实现 p 型的高浓度掺杂,经过对超晶格周期厚度
2 高 Al 组分 AlGaN/GaN 半导体材料的生长方法研究
的优化,发现 10nm 的周期为 Mg:AlGaN/GaN 超晶格结构 p 型掺杂的最佳厚度值,
得到了 p 型材料电阻率仅为 •cm,p 型载流子浓度高达 ×1019cm-3,这一
结果比通常体材料的掺杂水平高近一个数量级。
4、在蓝宝石衬底上成功生长出不同发光波长的 AlXGa1-XN/AlYGa1-YN 多量子
阱(MQWs)。研究了 AlXGa1-XN/AlYGa1-YN 量子阱的周期厚度及势垒 Si 掺杂对
MQWs 发光特性的影响,
成功生长出高质量的、波长小于 300nm 的 UV LED 全结构。采用横向结构、
通过器件工艺的流片,成功获得 UV LED 管芯。对器件的测试结果显示,UV LED
的输出功率达到毫瓦量级。
5、经过对生长条件的优化,有效地提高了 GaN 材料的生长质量。其(002)
面的半高宽由最初的 800arcsec 减小到 378arcsec,(102)的半高宽也有 1508arcsec
减小到了 597arcsec。
采用脉冲法生长的高质量 AlN 为基板得到高质量的 GaN 材料,生长的材料表
面原子台阶明显,XRD 测得的(102)面半高宽降至 348arcsec,(002)面半高宽
更是低至 70arcsec,为目前已报道的蓝宝石衬底上生长 GaN 的最小半高宽。
6、在蓝宝石衬底成功生长出 AlInN/GaN 异质结材料,采用脉冲法有效提高