外延在蓝宝石衬底上的非掺杂GaN研究

采用改变生长条件的方法制备GaN薄膜,在(0001)面蓝宝石衬底上利用金属有机物化学气相沉积技术制备了不同样品,并借助X射线双晶衍射仪(XRD)、PL谱测试仪和光学显微镜对材料进行了分析。XRD(0002)面和(1012)面测试均表明TMGa流量为70 cm3/min时样品位错密度最低。利用该TMGa流量进一步制备了改变生长温度的样品。XRD和PL谱测试结果表明,提高生长温度有利于提高GaN样品的晶体质量和光学性能。最后,利用光学显微镜对样品的表面形貌进行了分析。     

GaN基LED低温空穴注入层的MOCVD生长研究

针对GaN基LED空穴注入效率低的问题,在量子阱与电子阻挡层之间插入低温空穴注入层（LT-HIL）,实验研究了MOCVD生长LT-HIL时二茂镁（Cp₂Mg）流量和生长温度的影响。结果表明：随着Cp₂Mg流量的增加,外延薄膜晶体质量下降,外延片表面平整度和均匀性降低;而受Mg掺杂时补偿效应的影响,主波长先红移后蓝移,芯片的输出光功率先升高后降低,正向电压先降低后升高。相比于无LT-HIL的样品,在20 mA工作电流下,Cp₂Mg流量为1.94 μmol/min时制备的芯片的输出光功率提升20.3%,而正向电压降低0.1 V。在Cp₂Mg流量较大时,LT-HIL的渐变式生长温度对外延质量有所改善,但不是主要影响因素。     

SiO2图形化蓝宝石衬底对GaN生长及LED发光性能的影响

为了提高氮化镓(GaN)基发光二极管(LEDs)的发光性能,采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在蓝宝石衬底上沉积SiO_2薄膜,经过光刻和干法刻蚀技术制备了SiO_2图形化蓝宝石衬底(SiO_2 patterned sapphire substrate, SPSS),利用LED器件的外延生长和微纳加工技术获得了基于SPSS的GaN基LED器件。通过分析GaN外延层晶体质量、光提取效率和LED器件性能,重点研究了SPSS对GaN生长及LED发光性能的影响。实验及模拟仿真结果表明,与常规图形化蓝宝石衬底(Conventional patterned sapphire substrate, CPSS)相比,SPSS上生长的GaN外延层位错密度较低,晶体质量较高,SPSS-LED的光提取效率提高26%、光输出功率和亮度均提高约5%。     

磁控反应溅射AlN缓冲层对GaN基LED器件性能的影响

以直流磁控反应溅射法(RMS)在图形化蓝宝石衬底上制备的AlN薄膜作为缓冲层,采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)外延生长了GaN基LED。与MOCVD生长的低温GaN缓冲层相比,RMS制备的AlN缓冲层具有表面更平整、颗粒更小的形核岛,有利于促进GaN外延的横向生长,减少了形核岛合并时的界面数量和高度差异,降低了缺陷和位错产生的几率。研究结果表明,溅射AlN缓冲层取代传统低温GaN缓冲层后,外延生长的GaN材料具有更高的晶体质量,LED器件在亮度、漏电和抗静电能力等光电特性上均有明显提升。     

中高温GaN插入层厚度对蓝光LED光电性能的影响

利用金属有机气相化学沉积(MOCVD)技术在蓝宝石图形衬底上生长GaN基蓝光LED,并系统研究了不同中高温GaN插入层厚度对其光电性能的影响。利用芯片测试仪和原子力显微镜(AFM)表征了GaN基蓝光LED外延片的光电性能以及表面形貌。当中高温GaN插入层厚度从60 nm增加至100 nm时,V形坑尺寸从70~110 nm增加至110~150 nm。当注入电流为20 mA时,LED芯片的光功率从21.9 mW增加至24.1mW;当注入电流为120 mA时,LED芯片的光功率从72.4 mW增加至82.4 mW。对V形坑尺寸调控LED光电性能的相关物理机制进行了分析,结果表明:增大V形坑尺寸有利于增加空穴注入面积和注入效率,进而提高LED器件的光功率。     

GaN基LED倒装芯片蓝宝石衬底半球型图形优化设计

为了提高GaN基LED芯片的光提取效率,以GaN基LED芯片为研究对象,建立了在蓝宝石衬底出光面和外延生长面上具有半球型图形的LED倒装芯片模型,并利用光学仿真软件对图形参数进行优化设计。实验结果表明:在蓝宝石衬底的出光面和外延生长面双面都制作凹半球型图形对芯片光提取效率的提高效果最好,并且当半球的半径为3 m,周期间距为7 m时,GaN基LED倒装芯片的最大光提取效率为50.8%,比无图形化倒装芯片的光提取效率提高了115.3%。     

转移基板材质对Si衬底GaN基LED芯片性能的影响

在Si衬底上生长了GaN基LED外延材料,分别转移到新的硅基板和铜基板上,制备了垂直结构蓝光LED芯片。研究了这两种基板GaN基LED芯片的光电性能。在切割成单个芯片之前,对大量尺寸为(300μm×300μm)的这两种芯片分别通高达1 A的大电流在测试台上加速老化1 h。结果显示,铜基板Si衬底GaN基LED芯片有更大的饱和电流,光输出效率更高,工作电压随驱动电流的变化不大,光输出在老化过程中衰减更小。铜基板芯片比硅基板芯片可靠性更高,在大功率半导体照明器件中前景诱人。     

位错形态与GaN外延薄膜电阻率之间的关系

利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）,通过改变生长过程中成核层退火阶段的反应室压力,在蓝宝石衬底上制得了不同阻值的GaN外延薄膜。利用原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）对所生长的GaN薄膜的表面形貌、位错密度和位错形态进行了研究。结果表明,GaN的电阻率与位错形态之间存在密切联系,由此建立了模型来解释两者之间的关系。由于刃型位错附近存在负电荷,因此可为电子提供传导通道。在低阻GaN中,绝大多数位错发生弯曲和相互作用,在平行于基底方向上形成负电荷的导通通道,GaN薄膜的电导率较高。在高阻GaN中,位错生长方向垂直于基底,负电荷很难在平行于基片方向上传导,GaN薄膜的电导率很低,由此得到高阻GaN。     

InGaN基发光二极管和激光二极管

在InGaN发光二极管中,尽管存在着大量的位错,但其效率还是相当高的.用InGaN作为有源层是很重要的.在InGaN基LED的情况下,为产生光发射需要较高的激发功率.横向大面积外延生长的GaN激光二极管(LDs)是在厚的GaN衬底上外延制备成的.在温度250℃、30mW输出的连续工作状态下,其工作电流小于42mA,600℃、30mW输出的连续工作状态下的寿命约为15 000小时.这些结果表明,螺旋位错密度的降低延长了激光二极管的寿命.此外,良好的散热也是很重要的.     

δ掺杂对Si衬底GaN蓝光LED外延膜性能的影响研究

用X射线衍射方法通过不同晶面的ω扫描测试,分析了Si衬底GaN蓝光LED外延膜中n-型层δ掺杂Si处理对外延膜结晶性能的影响。报道了Si衬底GaN外延膜系列晶面的半峰全宽(FWHM)值。通过使用晶格旋转(Lattice-rotation)模型拟合,计算出样品的螺位错密度和刃位错密度。结果表明,δ掺杂Si处理后生长出的样品螺位错密度增大、刃位错密度减小,总位错密度有所减小。通过对未经δ掺杂处理和δ掺杂处理的GaN外延膜相应ω-2θ扫描半峰全宽值的比较,发现δ掺杂Si处理后生长出的样品非均匀应变较大;相应样品的LED电致发光光谱I、-V特性曲线显示δ掺杂后样品性能变好。     

ITO表面粗化提高GaN基LED芯片出光效率

使用现有生产线上工艺成熟且成本低廉的技术实现ITO粗化以提高GaN基LED蓝光芯片的出光效率是产业界重要的研究课题。本文通过普通光刻技术和湿法腐蚀技术,实现ITO表面粗化,有效地提高了LED芯片的输出光功率。输入电流为20 mA时,ITO层制备密集分布的三角周期圆孔阵列后,芯片输出光功率提升11.4%,但正向电压升高0.178 V;微结构优化设计后,芯片输出光功率提升8.2%,正向电压仅升高0.044 V。小电流注入时,密集分布的三角周期圆孔阵列有利于获得较高的输出光功率。大电流注入时,这种结构将导致电流拥挤,芯片的电光转化效率衰减严重。经过优化设计后的微结构阵列器件,具有较高的电注入效率,因此芯片的出光效率较高且随输入电流的增加而衰减的趋势较慢,因此更适合大电流下工作。     

Quantum dots-templated growth of strain-relaxed GaN on a c-plane sapphire by radio-frequency molecular beam epitaxy

We investigated the quantum dots-templated growth of a(0001) GaN film on a c-plane sapphire substrate.The growth was carried out in a radio-frequency molecular beam epitaxy system.The enlargement and coalescence of grains on the GaN quantum dots template was observed in the atom force microscopy images,as well as the more ideal surface morphology of the GaN epitaxial film on the quantum dots template compared with the one on the AlN buffer.The Ga polarity was confirmed by the reflected high energy electron diffraction patterns and the Raman spectra.The significant strain relaxation in the quantum dots-templated GaN film was calculated based on the Raman spectra and the X-ray rocking curves.Meanwhile,the threading dislocation density in the quantum dots-templated film was estimated to be 7.1×107cm-2,which was significantly suppressed compared with that of the AlN-buffered GaN film.The roomtemperature Hall measurement showed an electron mobility of up to 1860cm2 /V·s in the two-dimensional electron gas at the interface of the Al 0.25Ga0.75 N/GaN heterojunction.     

MOCVD生长InGaN/GaN MQW紫光LED

利用LP－MOCVD系统生长了InGaN/GaN MQW紫光LED外延片，双晶X射线衍射测试获得了2级卫星峰，室温光致发光谱的峰值波长为399.5nm，FWHM为15.5nm，波长均匀性良好。制成的LED管芯，正向电流20mA时，工作电压在4V以下。     

Improving InGaN-LED performance by optimizing the patterned sapphire substrate shape

The epitaxial growths of GaN films and GaN-based LEDs on various patterned sapphire substrates(PSSes) with different values of fill factor(f) and slanted angle(θ) are investigated in detail.The threading dislocation(TD) density is lower in the film grown on the PSS with a smaller fill factor,resulting in a higher internal quantum efficiency(IQE).Also the ability of the LED to withstand the electrostatic discharge(ESD) increases as the fill factor decreases.The illumination output power of the LED is affected by both θ and f.It is found that the illumination output power of the LED grown on the PSS with a lower production of tan θ and f is higher than that with a higher production of tan θ and f.     

侧向外延法生长的高质量GaN及其外延缺陷的观察

在有条状SiO2图形的GaN“模板”上,侧向外延方法生长了高质量的GaN。荧光显微镜的结果表明在SiO2掩膜区有成核过程发生。原因可能是SiO2的质量不高,为GaN的生长提供了一些成核中心。在GaN层的厚度达到4．5μm后,侧向的融合开始发生。侧向生长的速度与垂直生长速度几乎相同。在所有的SiO：掩膜上方都形成了空洞。样品在240℃熔融的KOH中腐蚀13min。在SiO2掩膜区生长的GaN,其腐蚀坑密度(相当于穿透位错密度)减少到几乎为零。而在窗口区生长的GaN,腐蚀坑密度仍然很高,达到10^8cm^-2量级。同时,我们发现具有不同窗口尺寸的样品在SiO2掩膜区上侧向生长的CaN的晶体质量基本相同,与窗口区的宽度几乎无关。室温光荧光结果表明侧向外延法生长的CaN中的晶格失配应力已被部分释放。     

Progress in research of GaN-based LEDs fabricated on SiC substrate

The influence of buffer layer growth conditions on the crystal quality and residual stress of GaN film grown on silicon carbide substrate is investigated.It is found that the Al GaN nucleation layer with high growth temperature can efficiently decrease the dislocation density and stress of the GaN film compared with Al N buffer layer.To increase the light extraction efficiency of GaN-based LEDs on Si C substrate,flip-chip structure and thin film flip-chip structure were designed and optimized.The fabricated blue LED had a maximum wall-plug efficiency of 72% at 80 m A.At 350 m A,the output power,the Vf,the dominant wavelength,and the wall-plug efficiency of the blue LED were 644 m W,2.95 V,460 nm,and 63%,respectively.