新型衬底上的III族氮化物外延薄膜的掺杂机理与器件应用基础研究

Sapphire has a large lattice mismatch with GaN and a low thermal conductivity, which results in low efficiency and low power of GaN-based LEDs grown on sapphire. To overcome these issues, the applicant has already tried a variety of unconventional substrates that are of much lower lattice mismatch with GaN, or/and of much higher thermal conductivity as alternatives of sapphire to grow nitrides on. These substrates include some new oxides (LiGaO2 and La0.3Sr1.7AlTaO6), metals (Cu, Ag, W), and Si. In addition, a new system to grown non-polar GaN to eliminate the quantum confined stark effect (QCSE) of polarized GaN grown on sapphire substrate has been proposed based on the epitaxial relationship of LiGaO2(100)//m-GaN. So far, the applicant has made impressive progress on the epitaxial growth of undoped nitrides on these unconventional substrates. However, to realize the fabrication of devices, both n- and p- type doped nitrides as well as InGaN/GaN multiple quantum wells (MQWs) have to be prepared on these unconventional substrates. Therefore, as a continuation to the ongoing research, this proposal aims at in-depth study on the doping mechanism and the approach of preparing MQWs of group-III nitrides grown on these unconventional substrates. Device fabrication will be subsequently performed based on these fundamental studies. Proprietary intellectual property rights, together with prototype devices, of nitride-based devices on unconventional substrates, are expected to be achieved by carrying out this proposal.

针对蓝宝石与GaN晶格失配度高、且热传导性能差而导致的氮化物基发光器件的效率及功率都较低的问题，申请人在前期的研究中，采用了一些与氮化物晶格匹配良好、或/且具有高热导率的新型衬底（包括LiGaO2和La0.3Sr1.7AlTaO6两种新型氧化物、及Cu、Ag、W三种金属、以及Si）来生长氮化物；同时，还为非极性氮化物薄膜的生长提出了一个新的衬底/外延体系（LiGaO2(100)//m-GaN）。目前，申请人在此类新型衬底上的非掺杂氮化物薄膜的外延生长方面已经取得了良好的进展。但是，要真正实现在这些新型衬底上制作高效氮化物器件，还需完成在此类新型衬底上氮化物薄膜的掺杂及多量子阱的制备。这正是本项目拟开展的主要研究内容。为此，在本研究将深入探讨新型衬底材料上高质量氮化物薄膜的掺杂机理与高质量量子阱的制备方案；在此基础上，开展器件应用基础研究，力图发展具有自主知识产权的氮化物光电器件核心技术。

III族氮化物具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率等优点，可用于制备高电子迁移率器件（HEMT）、薄膜体声波谐振器（FBAR）、发光二极管（LED）、太阳能电池等器件。目前，该类器件大多是基于蓝宝石衬底上外延生长的III族氮化物材料。然而，蓝宝石与氮化物之间的晶格失配度较大、热导率低，这限制了III族氮化物器件往“高性能、大功率、低成本”的方向发展。解决上述难题的一个有效途径是采用包括新型氧化物衬底、金属衬底及Si衬底等在内的新型衬底。与传统蓝宝石衬底相比，新型衬底在晶格匹配、热导率、价格等方面都表现出明显优势。.本项目团队在前期研究中采用脉冲激光沉积（PLD）的方法克服了新型衬底在高温外延条件下物理化学性质不稳定、容易与外延薄膜发生界面反应的现象，获得了高质量的III族氮化物外延材料，但是要真正实现在这些新型衬底上制作高效氮化物器件，还需完成在此类新型衬底上氮化物薄膜的掺杂及多量子阱的制备.为此，本项目围绕“新型衬底上的III族氮化物外延薄膜的掺杂机理与器件应用基础研究”，开展了系统的基础研究和关键技术攻关。主要研究内容及取得的成果有：.（1）通过对新型衬底上生长的III族氮化物进行微纳结构分析，发现了III族氮化物与新型衬底间的界面反应机制，并采用了低温外延生长的技术在多种新型衬底上实现了高质量III族氮化物的外延生长，在多种新型衬底上实现了高质量III族氮化物的外延生长，在新型衬底上实现了高质量GaN薄膜的制备，（0002）半峰宽为0.08°，明显优于MOCVD或MBE制备的典型数值（0.1°）。.（2）发明了低温外延与高温外延相结合的两步生长技术，实现新型衬底上高质量的III族氮化物的高效掺杂和高质量多量子阱。所获得n-GaN的电子迁移率和浓度分别为330 cm2 V-1和5.9×1018 cm-3，p-GaN的空穴迁移率和浓度分别为12.5 cm2 V-1和2.8×1018 cm-3。所获得的多量子阱界面陡峭，周期分明，各层厚度及组分精确可控。.（3）设计了III族氮化物的新型异质结构，提高了衬底/III族氮化物压电特性、异质结电荷密度、量子阱内载流子注入及辐射复合效率，在新型衬底上获得的白光LED，在20 mA电流下，发光效率超过了225 lm/W；在350 mA电流下，发光效率超过了了153 lm/W，远超过目前商用蓝宝石衬底上LED的普遍水平。