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近年来GaN基LED等光电子器件得到迅猛发展,目前商品化生产的LED器件是在α-Al2O3和SiC等衬底上制作的,然而在这些衬底上制备的器件存在沿生长方向([0001]方向)的自发极化和压电极化电场,这个内建电场使得LED内的多量子阱(MQW)的量子效率降低,从而使得LED的发光效率的提高受到限制。在LiAlO2(100)衬底生长的m面GaN基InGaN／GaN非极性LED摒除了极化电场对发光效率的影响,有望进一步提高发光效率,从而受到广泛的关注。本论文主要研究内容包括:在LiAlO2(LAO)衬底上外延生长单晶m面GaN薄膜,研究了GaN缓冲保护层以及引入InGaN插入层对m面GaN薄膜的晶体取向和结晶性能的影响,并就m面GaN薄膜的应变特征和光学特性进行分析；外延生长了Si掺杂的n型m面GaN薄膜,研究了m面GaN中Si的掺杂行为,定性分析了Si掺杂对m面GaN薄膜电学和光学性质的影响；外延生长了m面InGaN薄膜和InGaN／GaN MQW材料,并对它们的结晶性能和光学性质进行了研究。论文获得的主要结论如下:
1.在LAO衬底上采用GaN缓冲保护层生长技术成功得到了单晶m面GaN薄膜。GaN缓冲保护层对于生长m面GaN的作用包括:引入GaN缓冲保护层可以防止高温对衬底的热腐蚀,保护LAO衬底,避免了衬底的热分解；释放因GaN外延层与LAO衬底之间热失配和晶格失配所引起的应力。
2.在GaN缓冲保护层和GaN外延层之间引入InGaN插入层,有效改善了外延薄膜的晶体质量和表面平整度。此外,通过对XRD谱和偏振Raman谱中声子峰的位移的计算,发现插入层的引入还部分释放了GaN外延层的压应力,使极化电场强度降低、电子空穴波函数的重叠增加,从而提高了辐射复合率。所以可以观察到m面GaN薄膜的PL谱具有更强的光致发光强度。
3.在LAO(100)衬底上生长的m面GaN薄膜为双轴压应变,其生长面内的应变为各向异性。定量分析表明:压应变是由外延膜与衬底间的热失配引起的,其在[010]方向上的应变对薄膜的晶体质量影响较大,而在[001]方向的应变对晶体质量影响较小:面内应变的各向异性使GaN的能带重整、价带顶简并的轻空穴和重空穴能级分裂,从而导致m面GaN的禁带宽度依赖极化电场的方向。
4.在LAO衬底上外延生长了Si掺杂的n型m面GaN薄膜,载流子浓度达到7.8×1019 cm-3。由于[1(1)oo]在纤锌矿结构中是一个非极性方向,对于m面GaN而言,沿着生长方向不会发生极性反转的现象,所以比较容易获得高载流子浓度的n型m面GaN薄膜。但Si的掺入量较大时,样品容易形成m面和c面共存的多晶GaN薄膜。此外,电子迁移率随着电子浓度的增大而增大,是由于所得样品中位错散射对迁移率的影响起主要作用。对Si掺杂m面GaN样品PL谱的分析表明m面GaN:Si样品的黄带发射与位错密度有关。
5.直接在LAO衬底上生长InGaN外延层是获得m面InGaN薄膜比较合适的方法。较小的Ⅴ／Ⅲ比可使In的掺入效率提高；而当In／Ga比增大时,In的掺入效率会降低。m面InGaN的发光机制比较复杂,带边峰值出现反常的"S-shaped"移动,这是由于InGaN材料的激子局域化效应、热效应及电子-空穴对的形成而造成的无序程度增加引起的。
6.利用X射线衍射三轴晶模式和仿真拟合软件研究了m面InGaN／GaN多量子阱的厚度、In组分、阱层和垒层的厚度等结构参数。较高的InGaN层生长温度有利于多量子阱结晶质量的提高。较窄的InGaN层厚度有利于提高MQW的发光强度,这是由于较窄的阱层使的电子和空穴的复合效率迅速提高,发光强度增强。