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器件性能的提高主要决定于材料性能的改善,本研究是以GaN基LED结构材料特性为主要研究内容,具体如下：
1.对不同倾角蓝宝石外延薄膜特性的研究,这有利于对不同倾角衬底的合理使用,为进一步提高LED器件的性能奠定了基础,结论如下：
(1)研究了不同小倾角蓝宝石衬底对非故意掺杂的GaN薄膜表面形貌、晶体质量、光电性能的影响。通过AFM观察到GaN表面呈台阶流生长模式。0°倾角衬底GaN表面台阶流随机分布,0.2°和0.3°倾角衬底GaN表面,台阶方向性较强,表面形貌较平滑。光学和电学特性研究表明,采用0.2°、0.3°倾角蓝宝石衬底,GaN晶体质量和电学特性提高了。采用0.2°、0.3°倾角蓝宝石衬底能够降低GaN外延层中的应力,降低位错密度。实验中对分析半导体材料微区的晶格应变和弹性形变进行新技术尝试-电子背散射技术和声成像技术,采用电子背散射技术可以得到材料内部应力的变化情况,通过声成像技术可观察到GaN材料微区的晶格应变和弹性形变,尤其是非常直观地看到了缓冲层是应力影响的集中区域。
(2)研究了不同小倾角蓝宝石衬底Si掺杂的n-GaN薄膜性能。0.2°、0.3°倾角衬底的n型GaN表面台阶朝向一致、分布均匀,表面较平滑；在0°倾角n-GaN表面,观察到由台阶重构导致台阶朝向随机、疏密不均的形貌。电子背散射衍射分析表明0°倾角衬底n-GaN,外延厚度相对薄时应力较小,随外延厚度增加,应力增大,0.2°、0.3°倾角衬底的n-GaN随外延厚度增加没有明显地变化。0.2°和0.3°倾角衬底的n-GaN有较高的电子浓度,黄光带与近带边强度之比降低了20倍。相应的0.2°和0.3°倾角衬底LED的EL发光强度是0°倾角衬底的LED的2倍。
2.对提高InGaN/GaN多量子阱结构材料发光特性进行的研究。结论如下：
(1)在n型层插入InGaN层,降低了量子阱有源区和下面GaN层的应力,V型缺陷密度降低约一倍,由于In组分不均匀而呈岛状生长的形貌表现出扩散趋势,变得模糊。
(2)在n型层插入InGaN/GaN超晶格结构,有源区中由于晶格失配而产生的应力在InxGa1-xN/GaN超晶格结构中得到释放,降低了极化效应,多量子阱的PL强度提高了43.8％,在20mA电流下,LED器件光功率和轴向光强都分别提高74.4％、45％。
(3)通过对InGaN/GaN有源区的GaN垒掺In,降低了InGaN与GaN晶格失配的应力,降低了极化电场,降低了量子阱的表面粗糙度,改善了表面形貌,PL积分强度提高了36.84％,峰值半高宽(FWHM)减小了2nm,其带边峰和黄光峰强度之比提高了38.84％,LED器件EL发光波长较均匀,相对强度较高。
3.研究优化p-GaN材料性能。优化V/III比实验说明,对于1017 cm-3量级的p-GaN,在高V/III比条件下,可以获得高质量的晶体材料,XRD的(0002)面FWHM最窄为229 arcsec。生长温度在920～1030℃范围的优化结果表明,高温生长p-GaN容易获得较平滑的表面形貌,且有很好的电学特性,在V/III比为3060,CP2Mg流量为140sccm,1030℃条件获得最高空穴浓度为7.7×1017cm-3。优化[CP2Mg]/TMGa比实验表明,[CP2Mg]/TMGa比在1.4×10-3～2.5×10-3范围内,p型GaN光电特性与表面粗糙度RMS随[CP2Mg]/TMGa成线性变化趋势,920℃生长温度,当[CP2Mg]/TMGa比为1.4×10-3,RMS最低为0.35nm。
4.研究优化了p型GaN及LED的热退火条件。在氮气气氛下,在温度650～850℃范围内,如果降低退火温度,则需要延长退火时间才可以获得较大的空穴浓度,p-GaN在825℃、8 min条件下退火,可以取得较高的空穴浓度。蓝光LED器件在750℃、30 min条件退火,退火导致的量子阱FWHM加宽和积分强度降低百分较小,LED芯片正向电压降低到3.15 V。
5.通过对p-GaN:Mg的均匀掺杂、δ掺杂和生长停顿掺杂方式比较研究发现,生长停顿掺杂方法可以获得较好的晶体质量,生长停顿过程可能引入某些杂质增加了自补偿。δ掺杂方法提高了空穴浓度和迁移率,降低了电阻率,这主要由于采用δ掺杂方法形成GaN:Mg/UGaN超晶格结构,可使价带边产生周期振荡,从而提高了受主活化率,提高了空穴浓度,降低了电阻率,δ掺杂也取得了较平滑的表面形貌。
6.研究了P型InGaN外延生长条件对其性能的影响。随生长温度提高,In组分降低,晶体质量提高,空穴浓度增加,在800℃时获得高空穴浓度为1.9×1019cm-3,在较高温度(820℃)生长p型InGaN,由于Mg掺杂浓度较高,电学上易出现反型现象。可能是二维岛状成核生长向台阶流生长模式过渡的趋势,使表面形貌呈螺旋生长与二维岛状形貌并存的特征。高In组分研究表明随[CP2Mg]/[III]比增加,空穴浓度线性增加。[CP2Mg]/[III]比为1.12×10-3时获得最高空穴浓度为4.78×1019cm-3。