硅衬底非极性氮化镓外延工艺中缺陷形成及演变机制研究

Development of high-performance, low-cost and large-size non-polar GaN material is one of the important trends of the future nitride light-emitting devices. At present, the research of non-polar GaN devices on Si substrate is still in the early stages, One of the most critical problem is that the poor crystal quality of the non-polar GaN material on Si substrate. To solve this problem, the project investigate the mechanisms of defects formulation and evolution in Si substrate based non-polar GaN process by means of theoretical modeling, the multi-scale dynamics simulation and experimental growth analysis, aiming a new ways to prevent and decrease the defects. The study includes: 1) The influence of the Si substrate growth surface and the interface of intermediate buffer layer on the formulation of defects in non-polar GaN; 2) The influence of non-polar plane GaN epitaxial nucleation, atom group and grain growth, thin film stress release and other factors on the material defects; 3) The influence of structure of the thin film layer and process parameters on the evolution of defects in the MOCVD process. The expected results of the project will provide ideas and methods for the preparation process of low defect density nonpolar GaN material on Si substrate. Furthermore, the results will provide theoretical guidance and technique support of key issues for the research and application of large-size epitaxial GaN light-emitting devices.

发展高性能、低成本和大尺寸的非极性GaN材料是未来氮化物器件的重要趋势之一。目前，Si衬底上非极性GaN器件的研发尚处于初期阶段，其中最关键的问题之一在于Si衬底上非极性GaN材料晶体质量较差。针对这一问题，本项目通过理论模型建立、多尺度结合的动力学仿真和实验生长表征分析等手段，研究Si衬底非极性GaN制造工艺中的缺陷形成及演变机制，探索抑制和减小缺陷的新思路。研究内容包括：1）Si衬底生长面和中间缓冲层界面对非极性GaN缺陷形成的影响；2）Si衬底非极性面GaN外延成核、原子基团和晶粒生长、薄膜应力释放等因素对材料缺陷的影响；3）MOCVD工艺过程中薄膜层结构和工艺参数对缺陷演变的影响。本项目的预期成果将为Si衬底上低缺陷密度非极性GaN材料的制备工艺提供思路和方法，进而为大尺寸外延的非极性GaN发光器件的研制和实用化提供理论基础和关键问题的技术支撑。

发展高性能、低成本和大尺寸的非极性GaN材料是未来氮化物器件的重要趋势之一。目前，Si衬底上非极性GaN器件的研发尚处于初期阶段，其中最关键的问题之一在于Si衬底上非极性GaN材料晶体质量较差。本课题通过第一性原理计算方法研究了Al、Ga、N外延生长原子在不同Si衬底表面的迁移和扩散规律进行建模计算仿真，包括Si（100）、Si（110）、Si（111）、Si（112）和Si（113）表面。对GaN在非极性GaN表面外延生长迁移进行建模仿真,通过第一性原理建模计算，分析了GaN基外延生长中(Al, Ga, N)在无缺陷和有缺陷的非极性GaN表面的吸附和迁移规律，以及考虑在掺杂的情况下的吸附和迁移规律。并通过动力学仿真研究了不同温度下沉积过程的缺陷形成规律。此外，进一步对受到应变作用下的Si（111）表面的GaN外延原子迁移扩散规律进行建模计算仿真，通过实验研究了不同切面Si衬底对GaN外延缺陷的影响。本项目的预期成果将为Si衬底上低缺陷密度非极性GaN材料的制备工艺提供思路和方法，进而为大尺寸外延的非极性GaN发光器件的研制和实用化提供理论基础和关键问题的技术支撑。