Ⅲ族氮化物半导体材料的MOCVD生长及特性研究

Ⅲ族氮化物材料物理和器件物理的研究，在制备高功率蓝光、白光和紫外光发光二极管(LED)，短波长激光器，紫外光探测器及高温电子器件等方面有着广泛的应用背景和深刻的物理意义，开创了第三代半导体材料及器件研究的新领域。近年来，制备高效率的深紫外光LED及日光盲紫外探测器是氮化物研究中的热点课题之一，而高质量的AlInGaN四元合金及高Al组分的AlGaN材料是基础，特别是高Al组分AlGaN材料是最近几年才兴起的前沿课题，在这个领域还有广阔的研究空间。 本论文工作以制备高效率深紫外光 LED 和日光盲深紫外探测器为主要目标，开展了MOCVD生长GaN的δ掺杂、AlInGaN四元合金、高Al组分AlGaN 和选区生长等方面的研究，系统研究了材料的MOCVD生长、性质及其中的物理问题。取得的主要研究成果如下： (1) 从实验测量和理论分析两个方面研究了Si-δ掺杂GaN的缺陷结构性质。用XRD分析了Si-δ掺杂对GaN位错类型的影响，发现Si-δ掺杂可以提高晶体质量，主要降低刃型位错，而对螺位错无明显影响。针对p-GaN生长的难点，优化了p-GaN的生长工艺，并且将Mg-δ掺杂技术应用到p-GaN的生长中，改善了p-GaN的电学性质。 (2) 深入开展了MOCVD生长AlInGaN四元合金的工作，从实验和生长动力学理论两个方面系统研究了AlInGaN四元合金的生长模式，探索了AlInGaN四元合金的生长机理，并进行了材料表征的研究。发现AlInGaN四元合金三维生长模式向二维生长模式转变的临界生长速率，通过优化生长参数控制AlInGaN四元合金在二维生长模式下生长，制备出高质量的AlInGaN薄膜，其(0004)摇摆曲线的半高宽为240arcsec，是目前报道的最好的结果之一。开展了AlInGaN/GaN异质结电学性质的研究。观察到AlInGaN四元合金在某些条件下会出现自组织周期结构的现象，为进一步探索AlInGaN四元合金的生长机制奠定了基础。采用InGaN/AlInGaN量子阱成功制备出370nm的紫外光LED。 (3) 基于AIN的反应传输模型，系统开展了MOCVD生长AlN的研究。在国际上，首次采用含In气氛的方法制备AlN，发现含In气氛可以明显改善AlN的形貌。在系统优化的基础上制备了表面平整无裂纹的较高质量的AlN，其(0002)摇摆曲线的半高宽421arcsec，(1012)面为618arcsec，原子力显微镜表面方均根粗糙度为3.2nm。 (4) 采用HT-GaN插入层的方法生长出较高质量的高Al组分的AlGaN，发现HT-GaN插入层的厚度对AlGaN的Al组分有明显的影响，插入层在一定的厚度内厚度增加有利于Al组分的增加。通过Si掺杂实现了高导电性的n型Al<,0.51>Ga<,0.49>N，载流子浓度为2.8×lO<'18>cm<'-3>，迁移率为 28.9cm<'2>/Vs。制备出截止波长为280nm的肖特基紫外光探测器。 (5) 在图形化GaN基底上二次外延，生长了1mm×1mm的分立的LED外延片，观察到这些分立的LED的边缘区域相对中心区域厚度变厚并且波长变长，开展了选区外延生长的理论分析工作，发现SiO<,2>掩膜是影响表面形貌和组分分布的主要原因，在此基础上我们采用无掩膜的选区生长方法制备了表面平整的分立的LED。