图形蓝宝石衬底上的GaN 生长及LED 的光电性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 黄小辉 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2011-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 杨辉 ; 王怀兵 |
| 关键词 | 氮化镓 LED 图形蓝宝石衬底 MOCVD 抗静电 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 中文摘要 | 随着氮化镓基发光二极管（GaN-LED）产业的迅猛发展，如何提高LED 的发光效率和寿命是一个迫切需要解决的科研任务。 目前蓝宝石衬底上GaN-LED 的内量子效率可以达到80％以上，但由于外量子效率的局限，平面蓝宝石衬底上LED 的发光效率低于100 流明/瓦，使得LED 的应用受到极大限制。近两年，图形蓝宝石衬底（PSS）的引入大幅提高外量子效率，将LED 发光效率提升到120～150 流明/瓦，但图形衬底上GaN 的外延以及LED 电性能与传统平片衬底有着很大的差别。 本文采用Aixtron-MOCVD 在PSS 衬底上GaN 薄膜的生长、LED 器件光电性能的改善作一较为系统的研究，具体内容如下： 1、PSS 衬底上GaN 缓冲层厚度的影响：对PSS 衬底，缓冲层在25~45nm 范围内，都可以生长出晶体质量较高的GaN 薄膜。缓冲层越薄，成核密度越低，但GaN 所需合并生长时间越长，晶体质量越好（以XRD 半宽为评判基准），LED 器件抗静电性能（ESD）越好，但器件电压越高，而缓冲层厚度对LED 亮度的影响不大； 2、PSS 衬底上GaN 成核：这点与传统平片差异很大，GaN 在蓝宝石上各个晶面都会成核，成核次序是蒙古包与平底夹角、平底、蒙古包顶部（如果角度不够锐）、侧壁n 面。侧壁r 面基本不成核，这一现象可以用表面自由能理论得到很好解释。 3、PSS 衬底上GaN 合并：合并过程是成核岛的3D→2D 过程，这一过程对GaN薄膜的位错密度的控制至关重要。适合PSS 上合并生长的V/III 范围为1300~1500，温度范围为1000℃~1020℃。不同生长速率也会导致GaN 在PSS 上各个晶面发育的差异，生长速率过高时，PSS 蒙古包侧壁n 面核发育速率较大，与后继c 面发育的GaN 合并时容易引入位错。合适的生长条件是控制平底c 面GaN 的发育生长占绝对优势，此时薄膜位错密度最低。 4、PSS 几何形状对LED 出光效率的影响：通过建立光在半导体介质内部传输模型，模拟表明PSS 蒙古包占空比和倾角是影响LED 出光效率的两个关键因素。蒙古包的倾角为33°时发光强度最高。本文在45°~ 60°这一范围内的实验结果与模拟计算符合很好（40°以下的图形衬底目前的制作工艺难以实现）。研究发现占空比也是作为PSS 衬底几何形状对LED 发光强度影响较大的一个评价参量，占空比越大，发光强度越强； 5、PSS 衬底上GaN-LED 的抗静电(ESD)性能与平面蓝宝石上的器件比较：ESD是对LED 寿命的一个快速初级评判，器件ESD 击穿是由于与位错关联的V-pits 的存在，减少表面V-pits 数量和尺寸有利于提高器件的ESD 性能。由于PSS 上GaN 的合并过程复杂，先是底部合并，然后是底部与侧面的合并，最后是与顶部的合并，每一次合并都会引入新的位错。如果PSS 制作的包顶角度不够锐，GaN 会在顶部发育生长，与平地生长的GaN 合并时将形成大量的堆垛位错。另外，如果温度、V/III 比或生长速率不合适，会造成PSS 蒙古包侧壁其他晶面发育生长，也会遗留大量位错。所以，理论上PSS 衬底上LED 的ESD 性能是不能完全达到平片LED 的ESD 性能。 6、PSS 衬底上GaN-LED 的ESD 改进：本文尝试几种不同方法来改进PSS-LED的ESD 性能：（1）uGaN 位错密度的大小是决定V-pits 密度的根本，位错密度越低，ESD 越好；（2）低掺插入层越宽，ESD 性能越好；（3）pGaN 的厚度越大，ESD 性能越好；（4）pGaN 的掺杂浓度越高，ESD 性能越好；（5）ITO 越厚，电流扩展越好，ESD 性能越好。 最后本文对PSS 图形衬底的改进提出一些想法。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-09-10 |
| 源URL | [http://58.210.77.100/handle/332007/688]  |
| 专题 | 苏州纳米技术与纳米仿生研究所_纳米器件及相关材料研究部_刘建平团队 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 黄小辉. 图形蓝宝石衬底上的GaN 生长及LED 的光电性能研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011. |
入库方式： OAI收割
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