氮化物紫外LED研究与应用

随着Ⅲ-族氮化物材料与器件技术的不断发展,基于高Al组分氮化物的紫外LED受到广泛关注。本文主要介绍近年来紫外LED在外延、芯片及应用方面的研究进展。紫外LED的量子效率受晶体质量、掺杂效率、光提取等技术难题的制约,还有很大的发展潜力。随着研究的不断深入,紫外LED的性能将进一步提升,并在消毒净化、环境监测、光固化、无创光疗、非视距保密通信等领域得到广泛应用。     

Ⅴ/Ⅲ比和生长温度对RF-MBE InN表面形貌的影响

由于生长InN所需平衡氮气压较高,而且InN分解温度比较低,因此在生长InN时In原子很容易在表面聚集形成In滴,使InN外延膜的表面形貌变差,影响InN外延膜质量的提高.通过研究Ⅴ/Ⅲ比和生长温度对RFMBE生长InN外延膜表面形貌的影响,发现Ⅴ/Ⅲ比和生长温度对InN外延膜表面In滴的量有重要影响.通过选择合适的Ⅴ/Ⅲ比和生长温度,得到了表面平整光亮、无In滴的InN外延膜.     

RF-MBE生长的高Al势垒层AlGaN/GaN HEMT结构

采用RF-MBE技术,在蓝宝石衬底上生长了高Al组分势垒层AlGaN/GaN HEMT结构.用三晶X射线衍射分析得到AlGaN势垒层的Al组分约为43%,异质结构晶体质量较高,界面比较光滑.变温霍尔测量显示此结构具有良好的电学性能,室温时电子迁移率和电子浓度分别高达1246cm2/(V·s)和1.429×1013cm-2,二者的乘积为1.8×1016V-1·s-1.用此材料研制的器件,直流特性得到了提高,最大漏极输出电流为1.0A/mm,非本征跨导为218mS/mm.结果表明,提高AlGaN势垒层Al的组分有助于提高AlGaN/GaN HEMT结构材料的电学性能和器件性能.     

采用AlN缓冲层在Si(111)衬底上生长GaN的形貌

针对Si衬底上生长GaN具有的特有形貌进行了研究,分析采用扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、原子力显微镜(AFM)等手段,研究了使用AlN作为缓冲层的GaN的生长模式、缺陷形成机理、应力释放机制.并且发现缓冲层厚度和外延层生长温度对裂纹和表面缺陷的形成有很大的影响.     

使用溅射AlN成核层实现大规模生产深紫外LED

高质量AlN薄膜对制造高性能深紫外器件非常重要,但是目前还很难使用大型工业MOCVD生长出高质量的AlN薄膜.采用磁控溅射制备了不同厚度的用作成核层的AlN薄膜,使用大型工业MOCVD直接在成核层上高温生长AlN外延层,研究了不同成核层对AlN外延层质量的影响.通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对成核层AlN薄膜的表面形貌进行表征;使用高分辨X射线衍射仪对AlN外延层晶体质量进行表征,结果表明:在溅射成核层上生长的AlN外延层的晶体质量有显著提高.使用大型工业MOCVD在蓝宝石衬底上成功制备出中心波长为282 nm的可商用深紫外LED,在注入电流为20 mA时,单颗深紫外LED芯片的光输出功率达到了1.65 mW,对应的外量子效率为1.87%,饱和光输出功率达到4.31 mW.     

Si衬底和Si-SiO_2-Si柔性衬底上的GaN生长

使用MBE方法在Si(111)衬底和Si SiO2 Si柔性衬底上生长了GaN外延层 ,并对在两种衬底上生长的样品进行了对比分析 .在柔性衬底上获得了无裂纹的外延层 ,其表面粗糙度为 0 6nm .研究了GaN外延层中的应力及其光学性质 ,光致发光测试结果表明柔性衬底上生长的外延层中应力和杂质浓度明显低于直接生长在Si衬底上的样品的值 .研究结果显示了所用柔性衬底有助于改善GaN外延膜的质量     

Si衬底和Si-SiO2-Si柔性衬底上的GaN生长

使用MBE方法在Si(111)衬底和Si-SiO2-Si柔性衬底上生长了GaN外延层,并对在两种衬底上生长的样品进行了对比分析.在柔性衬底上获得了无裂纹的外延层,其表面粗糙度为0.6nm.研究了GaN外延层中的应力及其光学性质,光致发光测试结果表明柔性衬底上生长的外延层中应力和杂质浓度明显低于直接生长在Si衬底上的样品的值.研究结果显示了所用柔性衬底有助于改善GaN外延膜的质量.     

在复合衬底γ-Al2O3/Si(001)上生长GaN

采用分子束外延(MBE)生长方法,使用γ-Al2O3材料作为新型过渡层,在Si(∞1)衬底上获得了没有裂纹的GaN外延层,实验结果表明使用γ-Al2O3过渡层有效地缓解了外延层中的应力.通过生长并测试分析几种不同结构的外延材料,研究了复合衬底γ-Al2O3/Si(001)生长GaN情况,得到了六方相GaN单晶材料,实现了GaN c面生长.预铺薄层Al及高温AlN层可以提高GaN晶体质量,低温AlN缓冲层可以改善GaN表面的粗糙度.为解决Si(001)衬底上GaN的生长问题提供了有益的探索.     

RF-MBE生长的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性

用射频分子束外延技术研制出了室温迁移率为1035cm2/(V·s),二维电子气浓度为1.0×1013cm-2,77K迁移率为2653cm2/(V·s),二维电子气浓度为9.6×1012cm-2的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管材料.用此材料研制的器件(栅长为1μm,栅宽为80μm,源-漏间距为4μm)的室温非本征跨导为186mS/mm,最大漏极饱和电流密度为925mA/mm,特征频率为18.8GHz.     

生长温度对RF-MBE外延InAlGaN的影响

利用射频等离子体辅助分子束外延(RF-MBE)技术在蓝宝石衬底上外延了铟铝镓氮(InAlGaN)薄膜,研究了生长温度对RF-MBE外延InAlGaN薄膜的影响.X射线衍射测量结果表明,不同生长温度下外延生长的InAl-GaN薄膜均为单一晶向.卢瑟福背散射(RBS)测量结果表明,随着生长温度的提高,InAlGaN外延层中In的组分单调降低,Al和Ga的组分都有所增加.扫描电镜(SEM)的测试结果表明,在较高温度下(600和590℃)生长的In-AlGaN存在裂纹,580℃生长的四元合金表面比较平整,在570℃温度下生长的InAlGaN表面存在很多颗粒状突起.