省级大学生创新创业训练计划项目结题报告.docx

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1、学部（学院）：项目名称：项目类型：负责人：指导教师：费#2遂上牵QI1UUNIVERSITYOFTECHNO1OGY省级大学生创新创业训练计划项目结题报告光电科学技术学部GaN基多孔蓝光1ED的构建及其光学特性研究创新训练项目刁德杰李建飞摘要错误!未定义书签。第一章绪论错误!未定义书签。1-1GaN基半导体材料的基本性质及应用错误!未定义书签。1-3GaN基1ED的国内外研究进展及面临的挑战错误!未定义书签。第二章制备方法及表征手段错误!未定义书签。2-1制备方法错误!未定义书签。22表征手段错误!未定义书签。2-2-1光学表征错误!未定义书签。第三章测试结果及分析错误!未定义书签。3-1刻蚀

2、前后结构表征错误!未定义书签。3-2刻蚀机理分析错误!未定义书签。3-2P1特性研究错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。近年以氮化钱（GaN）碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体（宽禁带半导体）材料广泛受到人们的广泛关注，并大规模应用于微电子器件和光电子器件等领域。尤其是GaN基半导体材料，已成为半导体领域研究和开发的新热点。随着材料生长技术的发展，尤其是金属有机化学气相沉积（Meta1-OrganiCChemica1VapourDeposition,MOCVD）外延技术的发展，使得制备高质量的GaN基半导体材料成为可能。尽管如此，GaN基半导体材料及相关器件的光电特性依然存在诸多问题

3、。如，量子限制斯塔克效应（QCSE）严重、电流崩塌效应等问题；GaN基1ED存在大电流下效率低、黄绿光1ED生长困难等问题。这些都与GaN基半导体材料的缺陷、应力及载流子的输运机制有关。湿法刻蚀是各向异性的选择性刻蚀，由GaN基1ED表面自上而下沿着位错形成多孔微纳结构的一种刻蚀工艺。湿法刻蚀能实现减小界面处内应力的同时，降低（消除）位错和增加光提取效率，且同时具有简单易行、成本低、易于大规模生产等优点。已有研究结果表明，通过湿法刻蚀工艺形成的多孔微纳结构能够提高GaN基蓝光1ED的发光效率（2倍左右）。本项目将聚焦多孔微纳结构对GaN基蓝光1ED内、外量子效率的调控机制。拟采用Me）CVD方

4、法制备本项目所需样品；利用湿法刻蚀工艺并改变刻蚀条件进行多孔微纳加工；最终，确立刻蚀条件、多孔微纳结构参数和GaN基蓝光1ED性能之间的内在物理关联，实现同时提高GaN基蓝光1ED内、外量子效率的目的，为制备高效、稳定GaN基蓝光1ED器件提供新思路，并实现成果转化。关键词：GaN:发光二极管；光致发光；多孔微纳结构第一章绪论1-1GaN基半导体材料的基本性质及应用GaN基半导体材料主要包括GaN以及与氮化锢（InN）、氮化铝（AIN）等构成的合金化合物半导体AIGaN、InGaNsInAIN和A11nGaN。GaN基半导体材料有两种常见的晶格结构，分别是纤锌矿和闪锌矿。如图1-1所示叽其中纤

5、锌矿结构是In-族氮化物中热力学性质稳定的结构。而闪锌矿结构的山.族氮化物是一种亚稳相，可以稳定存在于立方衬底的（O1I）晶面上生长的薄膜层中。但对于GaN来说，这种相在一般情况下不会稳定存在。故GaN基半导体材料的晶格结构指的是纤锌矿。GaN基纤锌矿结构具有热力学性质稳定性，且m-族金属原子和N原子之间电负性的差距较大，从而产生了较强的化学键合，导致其具有独特的物理化学性质。表1.2显示了纤锌矿GaN、InN和AIN的具体参数。半导体材料的自由电子主要分布于导带，空穴主要分布于价带。当半导体材料受到光照等条件的影响时，价带上的电子会被激发到导带上，在价带上留下空位形成空穴，导带上的电子和价带

6、上的空穴决定了半导体材料的导电能力。半导体材料分为直接带隙半导体和间接带隙半导体。如图1-2（a）所示，导带边与价带边处于k空间相同点的半导体材料被称为直接带隙半导体。因此，电子要从价带跃迁到导带（从导带跃迁到价带）上产生（复合）电子-空穴对，仅需要吸收（释放）能量即可。但是，对于间接带隙半导体，如图1-2(b)所示，其导带边和价带边处于k空间的不同点。因此，电子从价带跃迁到导带(从导带跃迁到价带)上产生(复合)电子-空穴对，仅有能量的参与是不够的，还需要声子参与提供动量。在间接带隙半导体中发生一次间接跃迁是一个二级过程，发生的几率比直接跃迁过程小的多，如图1-2所示。表1.2纤锌矿结构GaN

7、、AIN以及InN的电学、光学、热学、力学等基本参数表可参数AINGaNInN晶格常数a(nm)0.31120.31890.3548晶格常数C(nm)0.49820.51850.576热膨胀系数Aaa(X1O61/K)4.25.592.8热膨胀系数Acc(X1O61/K)5.33.172.9禁带宽度(室温，eV)6.23.390.7热导率&(WZcmK)21.30.45折射率n2.150.052.332.8-3.05禁带温度系数(10-4eVK)-6.0-1.8静态介电常数8.50.21015.3高频介电常数4.68-4.845.58.4形变势(eV)9.58.37.1光学声子能(meV)99

8、.291.289.0电子有效质量(mo)0.480.20.11轻空穴有效质量(mo)0.4710.259密度(gcm3)3.236.156.81压电常数e3(Cm2)-0.60-0.49-0.57压电常数e33(Cm2)1.460.730.97饱和速度(107cms)1.42.52.5峰值速度(107cms)1.73.11074.3峰值速度电场(kVcm)45015067熔化温度()300017001100理论上，GaN基半导体材料可以通过改变m-族原子(In、AkGa)之间的比例，使禁带宽度从0.7到6.2eV连续可调。由此可见，GaN基半导体材料的禁带宽度覆盖了紫外-可见-红外区域，再加上

9、它是直接带隙半导体材料，因此，是良好的光电材料。(a)直接跃迁(b)间接跃迁图1-2直接跃迁能带结构和间接跃迁能带结构示意图(i)1ED结构GaN基1ED由衬底、成核层、n-GaN层、有源区和P-GaN接触层组成。其中有源区一般由InGaNZGaNGaNZAIGaN和InAIGaNZGaN等多量子阱(mu1tip1equantumwe11,MQWS)构成。本节以InGaN/GaN1ED为例对GaN基1ED的结构进行介绍，如图1-4所示。GaN基1ED的衬底及缓冲层与GaN基HEMT的类似，在此不再赘述。n-GaN层的生长温度大约为1050C,厚度为12m左右，掺入的杂质为Si,掺杂浓度大约为1

10、10,8cm3o这一层有两个作用：(i)起到缓冲层的作用，提高后续生长质量；(ii)向有源区提供充足的电子。有源区由多层InGaNZGaN组成，InGaN阱层和GaN垒层的生长温度分别为780和900C左右，其厚度分别为3和12nm左右。这是1ED发光的核心区域,能够将电子空穴限制住并进行复合发光。P-GaN接触层的生长温度与n-GaN层类似，大约为1050C,厚度为20Onm左右，掺入的杂质为Mg,由于Mg电离能较大，因此掺杂浓度较高，大约在I9o2cm3的数量级，这一层的主要作用是向有源区提供空穴。正图1-4常规InGaNZGaN1ED的截面图pGaN衬底MQWsn-GaN(ii)工作原理

11、图1-5InGaNZGaN1ED的能带结构GaN基1ED的核心是p-i-n结，具有p-n结的特性，即正向导通，反向截止、击穿等特性，如图15所示。由于InGaN和GaN的禁带宽度不同，有源区会形成一个个的阱的结构，这些阱能够限制住电子空穴，增大电子空穴波函数的交叠，从而提高了发光效率。在正向偏压下，电子由n-GaN层注入有源区，空穴由P-GaN层注入有源区,电子-空穴在有源区相遇并复合，把多余的能量以光的形式释放出来，该过程称为辐射复合。1-3GaN基1ED的国内外研究进展早在20世纪初期，人们无意间发现，固体材料在通电的状态下能够发光，当时使用的材料是用来制造砂纸的SiC的微晶粒。随后，固态

12、发光材料受到人们的重视。1971年，美国RCA实验室的J.1Pankove,第一次发现了GaN的电致发光现象，并且通过采用绝缘体和Zn掺杂的n型GaN,制造了第一个i-n型(insu1ating-to-n-GaN)的GaN二极管，虽然其EQE非常低，只有10士但是它开创了研究GaN发光材料的先河8，兀随后他们尝试通过Mg掺杂的方式获取P-GaN,但是因为当时的生长工艺的限制，最终RCA实验室于1975年终止了GaN相关项目的研究，转而研究SiC和II-VI半导体材料。之后国际上对GaN发光材料的研究陷入了低谷，甚至在1982年只有一篇相关的论文被发表。在如此低迷的研究背景下，日本名古屋大学的N

13、.kasaki教授依然没有放弃对GaN发光材料的研究，并于1986年与H.Amano一起，通过具有高速气流的喷射型垂直金属有机气相外延(MOVPE)的方法，制备出高质量的GaN外延薄膜【刈。这主要是因为他们采用了A1N材料作为缓冲层，其光致发光(PhotoIUmineSCence,PD谱显示了室温下GaN材料的的近带边发光峰，其峰位是3.36eV.在1989年，美国的HAmona通过采用低能电子辐照的方法，成功将GaN薄膜中的Mg激活得到了p-GaN薄膜，且Han测试结果表明，其空穴的浓度为106Cm-3,迁移率为8c?/VU1在解决GaN材料生长质量较差及生长不出p-GaN薄膜这两个难题之后

14、，GaN基1ED的研究及发展开始加速。1992年，AkaSaki制备出第一个GaN基p-n结发光二极管，虽然其EQE只有1%,但是让人看到了其研究前景。随后，日本的日亚化工的中村修二(ShUjiNakamura)对GaN基1ED的研究及工业化生产做出了重大的贡献，他通过设计、制造双气流MOCVD,在蓝宝石衬底上制备了世界上第一只EQE超过10%的GaN基1ED11214jO由此开始，GaN基1ED开始商业化生产。1999年，美国的A.Chuong等人通过利用在蓝宝石上生长GaN基1ED的方法，在Si衬底上生长出GaN基1ED,且在电流的作用下，其发光波长在450-48Onm范围内1。进入21世

15、纪之后，GaN基1ED的发展也进入了新的阶段。2002年，美国的J.Wu生长出高质量的In1-XGaXN(OVXV0.5)薄膜,并且计算出InN的禁带宽度大约为0.8eV,这个数值与InN的真实禁带宽度非常接近。2006年，Cree公司宣布推出一款冷白光1ED-ttXP.G,发光效率和亮度都创下新的纪录。发光效率为1391mW,发光效率已经超过了普通的白炽灯，被称为“业界最亮且具有最高效率的照明级1ED”【。2010年，日本的YUkiONarUkaWa研制出更高效率的白光1ED,当驱动电流为20mA时，光通量高达14.41m,刷新了当时的记录。随着1ED发光效率的提高，其应用领域由普通照明逐渐发展到其他的领域，如显示、可见光光通信等领域。2012年，ChristophKottke等人采用波分复用（WDM）和离散多频（DMT）技术，完成了一条基于RGB-1ED的通信链，其传输速率能够达到1.25Gb/s,且误码率非常低。2014年，意大利的MaUrOBiagi通过将多