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由于存在比较大的晶格失配和热失配,以蓝宝石为衬底的GaN外延层位错密度高,晶体质量差,阻碍了GaN基器件性能的进一步提高。降低GaN外延层中的位错密度,提高GaN材料的晶体质量是提高相关器件性能的基础,也是科研人员面临的机遇和挑战。 表面/界面改性技术可有效调控GaN和InGaN材料的生长行为及特性,通过对GaN基材料的不同生长阶段(不同位置)进行SiNx处理,调控GaN的生长模式与应力分布,可大幅降低GaN薄膜的位错密度,明显改善其表面形貌,增强发光性能。国际上已开展了许多关于SiNx处理改善GaN薄膜性质的研究,而SiNx预处理改善InGaN/GaN量子阱的研究仍然是个空白。本文在生长InGaN/GaN量子阱之前对GaN薄膜作原位SiNx处理,研究了SiNx插入层对InGaN/GaN量子阱的影响。研究表明,经过适量SiNx预处理的样品表面形貌更加平整,应力变小,发光大幅增强。所做结果具体如下: 1) InGaN/GaN量子阱表面形貌得到改善。在经过适量SiNx处理的GaN薄膜上外延量子阱时,在富Ga的生长环境下,Si原子会倾向于替位亚表面的Ga原子,在表面形成Ga双原子层,降低了Ehrlich-Schwoebel扩散势垒。这种Ga表面活性剂作用能够增加表面原子的扩散长度,促进层状结构生长,经过适量SiNx预处理的InGaN样品表面更加平整,表面粗糙度和表面坑密度降低。 2)适量SiNx预处理的InGaN样品应力减小。考虑到Ga、N、Si的原子半径分别为1.26(A)、0.75(A)、1.10(A),如果Si原子替位N原子(SiN)或者形成间隙原子,会有较大的应力产生,所以Si原子会倾向于替位Ga原子形成替位原子(SiGa)。SiGa可以促进GaN薄膜压应力的释放。拉曼测试表明,经过适量SiNx预处理的InGaN样品的应力比参考样品减少了18%。 3)适量SiNx预处理的InGaN/GaN量子阱样品应力减小,晶体质量提高,发光增强。能带结构分析表明,SiNx预处理可增加电子与空穴波函数的空间交叠,因此提高了量子阱的内量子效率。适量SiNx预处理的InGaN/GaN量子阱样品PL发光强度比参考样品增强4倍,CL发光的空间分布更加均匀。