铝酸锂上无极性氮化物薄膜制备关键技术研究

The research of non-polar nitride films fabrication is the key topic in the filed of light emitting diode(LED). In this project, we focus on the research of non-polar nitride films on LiAlO2 fabrication relying on the little mismath on lattice and thermal expansion between nitride films and LiAlO2 substrate.We study on the influence of the volatilization, hydrolysis,and thermal stability of substrate to the properties of films.On the basis of the fabrication of large-size and high-quality LiAlO2 substrate,this project is to reduce the defect density of nitride films and fabricate non-polar nitride LED device.The solution of the problems in this project will accumulate theory and data for non-polar LED and promote the development of LED science and technology.

无极性氮化物薄膜制备研究是目前半导体发光二极管领域的热点研究问题。本项目提出铝酸锂上无极性氮化物薄膜制备关键技术研究，主要借助于铝酸锂衬底与氮化物薄膜较小的晶格失配和热膨胀失配方面优势。通过研究铝酸锂衬底和其上氮化物薄膜制备过程，透彻了解铝酸锂衬底的挥发性、水解性和热稳定性对铝酸锂衬底和氮化物薄膜的结晶性能、发光性能等方面的影响；在实现制备大尺寸和高质量的铝酸锂晶体基础上，开展铝酸锂衬底的挥发性、水解性和热稳定性深入研究，减小铝酸锂上氮化物薄膜缺陷密度；设计、制备出铝酸锂上无极性氮化物半导体发光二极管器件结构，解决光输出功率和发光效率等核心问题；为铝酸锂上无极性氮化物半导体发光二极管的未来应用作贮备，推动半导体发光二极管科学与技术的发展。

制备无极性GaN基器件是制备高效、高可靠性LED器件的一个重要手段，国内外很多高校、科研院所和公司开展无极性器件的研究，尤其是Shuji Nakamura团队对其研究更深入和广泛。无极性器件制备难点之一为晶格和热匹配较适宜的衬底材料, r-Al2O3,SiC,GaN等衬底得到了研究人员的重视，而匹配性更好的LiAlO2研究相对较少，该项目对LiAlO2衬底制备和无极性GaN在其上生长进行了研究。.1、LiAlO2衬底制备：通过固相烧结制备铝酸锂多晶相，再经过提拉法制备铝酸锂单晶，由于铝酸锂熔化温度高达1780度，锂易挥发发明了一种抑制熔体挥发晶体生长装置，利用局部高压涡流技术改变挥发路径从而减轻高温熔体压力差过大造成的挥发剧烈问题，利用氧化锆保温特性制备带有蓝宝石窗口的全封闭的晶体生长系统，解决了压力差大和观察不方便两个问题，通过该原理和技术的研究解决了挥发性晶体生长难题，制备出了2英寸200毫米长的铝酸锂晶体；铝酸锂具有水解，可溶于酸碱特性，故对其抛光需采用独特的方式，通过对其水解和不同酸碱反应的实验，调配出适合铝酸锂抛光的抛光液，探索了一条适合铝酸锂抛光的工艺，制备出了适合制备GaN基器件的铝酸锂衬底片。.2、LED器件制备：通过飞秒激光在衬底片表面制备出不同刻度的图案，同时激光刻蚀后在沟槽边缘产生纳米或微米的颗粒，然后放入MOCVD设备内输入程序制备LED外延片。首次发现衬底的微纳结构将会导致LED外延片发光产生红移，发现微纳结构引起红移的主要原因是镀膜过程中微纳结构引起了镀膜气体的扰动，导致In的含量在不同微纳结构处含量不同，从而导致发光的波长不同。研究了微纳结构的颗粒大小和形状直接跟In的含量之间的对应关系，并发现微纳结构也会导致外延膜的应力的差异，并得出其对应关系。通过在同样制备条件下，调节微纳结构可在单芯片上制备出发射不同光的LED光源，通过波长组合可制备出无荧光粉的白光LED芯片。.通过上述两部分的研究，发明了一种抑制高温熔体的挥发的装置，并罗列抑制高温挥发的理论依据；开发了铝酸锂衬底抛光工艺，制备出了适合外延生长的外延片；通过在衬底表面制备微纳结构可改变其上MOCVD过程中In等成分的含量，从而实现单芯片白光。.通过项目的开展提供了一条制备白光LED的新思路和新方法，可有效规避国际上专利对我国LED产业封锁。