基于叠层掩膜的III族氮化物的异质外延生长

III-nitride semiconductor material is the basis of nitride optoelectronic and microelectronic devices for scientific research as well as industrial development. High dislocation density and poor crystal quality in GaN are the biggest bottlenecks restricting the development of GaN semiconductor field. Our project proposes innovative serpentine masked structure to strengthen the two mechanisms of dislocation blocking and dislocation annihilating. In order to reduce the defect density of GaN by hetero-epitaxy on the sapphire substrate, theoretical and experimental research on epitaxial growth kinetics and defect behavior control is needed. The main content involves formation mechanism of defects in the growth process, especially microtubules, penetration of dislocations and stacking faults; the methods to control and eliminate epitaxial stress; the mechanism of generation, interaction and annihilation of penetration dislocations and other defects. On the above basis, we focus on the exploration and development of substrate epitaxial technology and the development of an original, An Innovative crystal hetero-epitaxial growth technique. The applicant and the whole group have been engaged in research work related to the field in recent years, achieved a number of distinctive research results and accumulated rich experience. The research objective and content of this project are in the forefront in the field of GaN-based semiconductor materials.

III族氮化物半导体材料是氮化物光电子和微电子器件研究和产业发展的基础。GaN材料位错密度高，晶体质量不佳，是制约GaN半导体领域发展的最基本瓶颈。本申请项目提出创新的叠层掩膜结构，强化位错的阻挡和位错的闭合两种机制，以有效降低蓝宝石衬底异质外延GaN材料的缺陷密度为目标，从理论和实验上开展氮化物外延生长动力学与缺陷行为控制的研究。主要内容涉及生长过程中缺陷，特别是微管、穿透位错和层错的形成机理，外延应力的消除和控制的机制与手段、穿透位错等缺陷的产生、增殖、相互作用及其湮没的规律。在此基础上着重进行衬底外延技术的探索和创新，发展一种独创的、全新的晶体异质外延生长技术。本项目申请人及所领导的课题组近年来一直从事与该领域相关的研究工作，取得了一批富有特色的研究成果并积累了经验。本项目的研究目标和内容均处于当前国际上GaN基半导体材料领域的前沿。

本项目围绕降低GaN异质外延位错密度这一核心难题，从理论和实验上开展了氮化物外延生长动力学与缺陷行为控制的研究，发展了基于叠层掩膜结构的衬底技术和GaN异质外延技术，大幅度降低外延材料中的缺陷密度，实现了高质量GaN材料的异质外延生长。. 主要结果包括：. 提出和优化了叠层掩膜结构，发展了基于叠层掩膜结构的衬底技术和工艺；开展了基于掩膜衬底的MOCVD外延方法研究，确定了多次调制侧向外延方法，使得生长过程与掩膜通道形状相匹配，加速其合拢过程，生长出表面平整、高质量的GaN薄膜；对叠层掩膜衬底外延GaN薄膜的位错演化机理进行了详细的探究，确定了叠层掩膜的阻挡和弯曲效应是导致位错密度大幅降低的主要原因；对利用该方法生长的GaN膜及多量子阱（MQWs）结构进行了显微结构表征分析，证实其晶体质量较蓝宝石衬底得到了显著提升，尤其是翼区和窗口区均为高质量区域，位错密度最低可降至105cm-2，比一般蓝宝石外延低2-3个数量级；通过微区拉曼实验，分析了掩膜不同区域的GaN薄膜的残余应变情况，发现叠层掩膜兼具释放应变作用，能够增强LED,LD等GaN基光学器件的量子阱有源区的发光效率；在叠层掩膜衬底上外延了MQWs结构，其内量子效率较蓝宝石衬底外延提升了53%，发光强度则增强至2-3倍，辐射复合得到增强而非辐射复合得到抑制，证明了叠层掩膜衬底能够有效的提升GaN薄膜质量，增强多量子阱器件的性能。. 总之，我们全面完成了本项目的研究任务和目标，所发展的独创的、全新的晶体异质外延生长技术对氮化物光电子和微电子器件的研究和产业发展有重要意义。.