硅烷对氮化镓棒状阵列自组装生长及光电性能的影响

The application of GaN thin film based LED epitaxial structure in optoelectronic devices of high power, high brightness and long life will be limited due to its high dislocation density and efficiency droop, so it is important for the research on GaN based rod arrays. The following research about the effect of silane on self-assembled growth and photoelectric property of GaN rod arrays will be carried out this project: 1) Simulation about GaN based rod arrays and surface structure have been performed. The effect of silane on primary properties such as energetic stability, electronic properties will be calculated; 2) Using self-assembled growth MOCVD technology, GaN rod arrays will be prepared and the influence of technological parameter on the growth of GaN rod arrays will be studied and optimized; 3) The crystalline structures and composition of GaN rod arrays will be characterized, effect of silane on dynamics of growth about GaN based rod arrays will be analyzed; 4) The influence of silane on photoelectric property of GaN based rod arrays such as the distribution, density, transport and recombination of carriers will be summarized. Theoretical basis and experimental data about high performance GaN based rod arrays will be provided in this project.

二维薄膜GaN基LED外延结构的位错密度高、发光效率骤降等问题严重影响了其在大功率、高亮度及长寿命LED器件中的应用，因而开展新型GaN棒状阵列结构的生长与光电性能研究具有重要意义。本项目围绕硅烷对GaN棒状阵列自组装生长机理及光电性能的影响开展：1）设计GaN棒状阵列及其表面结构模型，理论分析硅烷对其能量稳定性、电子结构、光学性质等基本特性的影响；2）采用MOCVD自组装生长技术，研究不同生长工艺对GaN棒状阵列结构的影响，并优化工艺参数；3）利用原子水平级测试技术，对GaN棒状阵列的超微观晶体结构和化学成分表征，分析硅烷对GaN棒状阵列生长动力学的影响机制；4）研究硅烷对GaN棒状阵列结构中载流子浓度、分布，输运与复合等物理特性的影响。为获得高性能的GaN棒状阵列结构提供科学论据和实验数据。

LED作为第三代光源，具有节能、环保、寿命长、稳定性高、体积小等优点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源和固态照明等领域。自中村修二成功制备了宽禁带GaN基半导体材料之后，具有商业应用价值的蓝光LED获得实现，LED在光效提升和成本降低方面取得了飞速的发展。但LED仍有一些问题需要进一步解决和完善，本项目主要围绕硅烷对GaN晶体的生长和光电性能的影响，首先采用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）生长SiNx插入层的方法，制备了GaN外延薄膜，研究了不同沉积时间和不同沉积位置的SiNx插入层对GaN外延薄膜晶体质量的影响，原位沉积SiNx插入层可以有效降低GaN薄膜的位错密度，在形核层退火后原位沉积SiNx120 s时，GaN薄膜位错密度最低，晶体质量最优，通过微观结构分析提出了一种调控机制模型；其次原位沉积SiNx掩模层后，成功生长了类金字塔状GaN微米锥，详细研究了温度、时间、V/III比和压力等条件对其形貌的影响，当温度为1075 °C时，能生长出具有六个半极性{10-11}晶面和一个很小的(0001)晶面的类金字塔状GaN微米锥。在类金字塔状GaN微米锥上继续外延生长三个周期的InGaN/GaN多量子阱后形成了类金字塔状InGaN/GaN微米锥。InGaN/GaN多量子阱沉积之后类金字塔状GaN微米锥顶部的（0001）面消失；类金字塔状InGaN/GaN微米锥不同位置处的阴极荧光发光波长不同，表明In元素在其表面不同位置处分布有所差异。最后通过选择性外延成功生长出了高度为500nm左右的InGaN/GaN微米台阵列LED结构，六棱台阵列形貌规则，尺寸均匀，具有6个等效的半极性(10-11)面和一个明显的(0001)C面。并详细研究了其发光性能及机理，通过对InGaN/GaN多量子阱结构的界面调控，实现了全彩发光。这些为获得开发高性能的GaN三维LED外延结构提供相关的科学论据和实验数据。