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利用紫外光(尤其是近紫外光)激射RGB荧光粉产生白光的方法是白光固态照明发展的趋势,但是目前紫外LEDs的输出功率很低,这成为该种固态照明方式发展的瓶颈。本文提出了将与GaN晶格近似匹配的AlInN材料用于近紫外LEDs中的方案,用以解决LEDs中因晶格失配带来的位错和极化等问题,既可将AlInN用于有源区,也可以取代AlGaN作EBL。鉴于AlInN材料在半导体器件中广泛的应用和极大的潜力,AlInN的MOCVD外延生长及其应用成为当前研究的热门方向之一。
本文主要利用MOCVD进行了对与GaN晶格近似匹配的AlInN材料外延生长的研究,该研究一共分为不同压力下、不同温度下、不同衬底上和不同模板上的AlInN的MOCVD外延四个部分,制备了晶体质量相对较好的与GaN晶格近似匹配的AlInN材料,并将其用于近紫外LEDs结构中用作EBL。本文的主要成果及结论如下:
1、在保持生长温度和其他生长条件一致的情况下,变化反应室压力,分别取30Torr,50Torr和100Torr,制备不同温度下的AlInN系列样品。通过对这些样品的测试与分析发现,在相同的生长温度下,随着反应室压力的降低,样品的生长速率提高,In的有效并入量提高,并且样品的表面变得更为平整,样品的生长模式由高生长压力下的三维小岛生长模式转变为低生长压力下的二维平面生长模式。在这些样品中,在810℃,50Torr条件下外延得到的AlInN的In的组分为17.74％,最接近与GaN晶格近似匹配的AlInN材料的In的组分范围,并且其表面粗糙度只有0.992nm;
2、在保持生长压力和其他生长条件一致的情况下,变化生长温度,分别取750℃,790℃,810℃,825℃和840℃,制备不同压力下的AlInN系列样品。通过对这些样品的测试与分析发现,在相同的生长压力下,随着温度的升高,样品中In的组分急剧降低,样品的表面粗糙度也有降低的趋势。在这些样品中,在790℃,30Torr条件下外延得到的AlInN的In的组分为18.05%,该样品的晶格近似与GaN匹配,并且该AlInN样品(002)峰的平均FWHM只有292arcsec,平均表面粗糙度也只有0.853nm。Hall测试结果显示,790℃,30Torr条件下外延得到的AlInN样品的平均电阻率为11.69Ω cm,平均空穴迁移率为10.95cm2/V s,平均载流子浓度为7.0641016 cm-3;
3、在平面蓝宝石衬底(FSS)和图形蓝宝石衬底(PSS)上,在790℃,30Torr条件下制备AlInN样品。通过对这两个样品的测试与分析发现,在平面蓝宝石衬底上制备的AlInN样品的晶体质量更好,表面也更平整,其In组分为16.59%,(002)FWHM为280arcsec,(102)FWHM为322arcsec,表面粗糙度为0.600nm;
4、首先在平面蓝宝石衬底上分别制备GaN和AlN单晶模板,然后在该二者上面外延生长AlInN。通过对两个模板进行XRD测试,发现AlN模板的晶体质量比GaN模板的晶体质量要好。对这两个样品进行测试与分析发现,在晶体质量相对更好的AlN模板上外延生长的AlInN材料的晶体质量也相对更好,尽管所得到的AlInN样品在晶格上与GaN模板更为匹配,但是由AlN模板穿透至AlInN外延层的位错数量要少很多,两个影响AlInN外延层晶体质量的因素相比较而言,后者才是决定AlInN外延层晶体质量好坏的主要因素。在AlN模板上制备的AlInN样品的In组分为15.70%,(002)FWHM为282.2arcsec,(102)FWHM为313.5arcsec,表面粗糙度为0.390nm;
5、在相同的生长条件下,制备了没有EBL,用AlGaN作EBL和用AlInN作EBL的三个近紫外LEDs,其XRD测试结果发现该三个LEDs样品的量子阱生长的都不理想,其EL测试结果表明用AlGaN作EBL的近紫外LED的EL强度比没有用EBL的近紫外LED的EL强度要大,但是用AlInN作EBL的近紫外LED发光很不均匀,EL强度也不高,说明AlInN用在LEDs中的工艺还不成熟,还需进一步摸索。