毕业设计(论文)蓝宝石衬底上aln薄膜和gan ingan量子点的mocvd生长分析.pdf
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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手
2、段保存和汇编本学位论文。保密口,在_年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。(请在以上方框内打y”)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年 月日 日期:年 月 日华中科 技大学 博士学 位论文摘要紫外波段的AlGa N发光器件对于白光照明、空气和水的净化、消毒杀菌、高密 度存储等领域意义重大,因此对AlGa N发光器件的研究成为当下人们关注的焦点。目前生长AlGa N材料普遍使用的衬底是蓝宝石,材料中的穿透位错通常在 10Q10%m-2量级,这严重影响着AlGa N基发光器件的量子效率。经过多年的探索,现在普遍认为的一个解决方案是在蓝宝石衬底上制备高质量的A1N薄膜作为AlGa N 器件的
3、模板,在此模板上可以获得高质量无裂纹的AlGa N材料。因此,如何在蓝宝 石衬底上制备高质量的A1N模板已经成为AlGa N器件发展的关键一步。目前,由于 量子点的独特性能,研究者发现通过在有源区中引入量子点的途径也可以提高器件 的量子效率。量子点的尺寸接近于电子的波尔半径,电子的运动被限制在量子点内 部,因此载流子的复合概率变大。量子点所表现出的各种量子特性和光学非线性,无论是在基本物理方面还是在器件应用方面(包括激光器、单光子光源和量子计算 等)都有巨大的研究价值。本论文的第一部分工作详细介绍了金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长 A1N模板的研究。首先采用低温成核层技术和脉冲原子层外
4、延(PALE)技术相结合 的方法生长A1N材料,讨论了影响A1N晶体质量和表面形貌的各种因素,研究了生 长条件对于生长模式影响的根本原因,从而解决A1N生长中所面临的难题。文中主 要研究了衬底表面处理工艺、低温成核层工艺(包括生长温度、厚度以及V/I I I)和 PALE生长工艺(包括生长温度、V/I I I和生长速率)对于A1N材料的影响。我们发 现衬底在不同的处理工艺下,A1N和衬底之间的失配应力的释放机制有所不同。通 过氮化处理,可以有效提高晶体的取向性并获得A1极性的A1N材料。通过低温成核 层工艺的研究,我们获得了(002)面摇摆曲线半高宽(F WHM)为63a rcsec,(102
5、)面半高宽为U06a rcsec的样品,其表面完全愈合,没有发现坑(pits)的存在。在成 核层的基础上通过PALE A1N层的生长研究,我们获得了表面无裂纹厚度达636n m 的A1N外延层。在本论文的第二部分工作,主要介绍了量子点生长的研究工作。首先,在A1N 模板上研究了 Ga N量子点的生长工艺。试验中分别采用了 S-K(Stra n ski-Kra sta n o v)华中科 技大学 博士学 位论文生长模式和Ga dro plets epita xy的方法制备Ga N量子点。在S-K生长模式中,研究了 生长时间、反应物流量、生长压强和生长温度对Ga N量子点形貌的影响。虽然由于 生长
6、速率太高无法获得Ga N量子点,但实验结果表明如果生长厚度能够精确控制的 话,通过生长工艺的优化可以在S-K模式下获得Ga N量子点。在Ga dro plets epita xy 方法制备Ga N量子点过程中,则讨论了各步生长工艺对于量子点的影响,初步实现 了控制Ga N量子点尺寸、密度和质量的生长条件。量子点横向尺寸在100n m以内,纵向尺寸在10n m以内,密度在108cm到10Wm-2量级间可控,并在310n m处观测 到光致发光(PL)峰。然后在Ga dro plets epita xy方法形成的Ga N量子点的基础上,研究了量子点ca pla yer的生长工艺,在合适的生长条件下获
7、得了表面平整的A1N ca pla yer0最后,在P-Ga N模板上通过Ga dro plets epita xy的方法实现了 Ga N量子点 的制备,并研究其生长工艺对于量子点形貌的影响。然后,我们在Ga N模板上通过S-K方法制备了 I n Ga N量子点,试验中通过生长 温度、生长速率和I n组分等因素控制I n Ga N量子点的尺寸和密度,获得了横向尺寸 在20-80n m,纵向尺寸在2-15n m,密度在量级的I n Ga N量子点。关键词:金属有机物化学气相沉积 AI N Ga N量子点I n Ga N量子点II华中科 技大学 博士学 位论文Abstra ctAlGa N ba
8、sed emittin g devices h a ve been a ttra ctin g co n sidera ble a tten tio n beca use o f its sign ifica n t a pplica tio n in th e ultra vio let field such a s wh ite ligh t illumin a tio n,a ir a n d wa ter purifica tio n,steriliza tio n,h igh-den sity sto ra ge.Th e co mmo n substra te fo r gro w
9、in g AlGa N ma teria ls is sa pph ire.Th e qua n tum efficien cy o f AlGa N ba sed emittin g devices is sign ifica n tly a ffected by th e h igh den sity o f dislo ca tio n like 1010-1012cm_2 in ma teria ls gro win g o n sa pph ire substra tes.After yea rs o f explo ra tio n,o n e o f th e reco gn i
10、zed so lutio n s is gro win g h igh qua lity AI N templa tes fo r AlGa N devices o n sa pph ire substra tes.Th ick AlGa N films with o ut cra ck ca n be o bta in ed o n th ese AI N templa tes.Gro win g h igh qua lity AI N templa tes o n sa pph ire substra tes h a s been a key step fo r AlGa N device
11、s.I n n o wa da ys,resea rch ers a re in sertin g qua n tum do ts in to th e a ctive la yer o f AlGa N devices to in crea se th e qua n tum efficien cy due to its specific perfo rma n ce.Th e sca le o f qua n tum do ts is rela ted to Bo h r ra dius o f th e electro n,th e mo vemen t o f electro n s
12、is co n fin ed in qua n tum do ts,a n d th e reco mbin a tio n prlbility o f ca rrier in crea ses.Th e in vestiga tio n o f gro win g qua n tum do ts is va lua ble in bo th ba sic ph ysics resea rch a n d device a pplica tio n s(in clude la sers,sin gle o ptica l so urces,qua n tum ca lcula tio n).T
13、h e first pa rt o f th is disserta tio n describes th e in vestiga tio n o f AI N templa tes via meta lo rga n ic ch emica l va po r depo sitio n(MOCVD)in deta il.A co mbin ed gro wth tech n ica l,a lo w tempera ture n uclea tio n la yer a n d pulsed a to m la yer epita xy(PALE),h a s been a pplied
14、fo r gro win g AI N ma teria ls firstly.Th e effects o f gro wth co n ditio n s o n th e qua lity o f AI N films a n d a lso AI N gro wth mo de a re in vestiga ted to so lve th e pro blems in gro win g AI N films.Th e effects o f pretrea tmen t o f sa pph ire substra tes,lo w tempera ture n uclea ti
15、o n la yer gro wth co n ditio n s(in clude gro wth tempera ture,la yer th ickn ess,V/I I I),a n d PALE gro wth co n ditio n s(in clude gro wth tempera ture,V/I I I,a n d gro wth ra te)o n AI N films a re ma in ly studied.With differen t pretrea tmen t co n ditio n s,differen t stra in rela xa tio n
16、mech a n isms in duced by th e la ttice misma tch o f AI N a n d sa pph ire a re o bserved.Th e n itrida tio n pretrea tmen t elimin a tes th e miso rien ted crysta ls a n d th e resulted AI N is Al-fa ce.By o ptimizin g th e gro wth co n ditio n s o f AI N films,sa mples with(002)full width o f h a
17、 lf ma ximum(F WHM)o f 52a rcsec a n d(102)F WHM o f 1106a rcsec a re o bta in ed.Th e sa mples a re co a lescen ce co mpletely with o ut a n y pits.Ba sed o n th e n uclea tio n la yer,a3华中科 技大学 博士学 位论文636n m th ick AI N la yer with o ut cra cks is o bta in ed th ro ugh PALE gro wth tech n ica l.Th
18、 e seco n d pa rt o f th is disserta tio n describes th e in vestiga tio n o f gro win g qua n tum do ts.Th e gro wth o f Ga N qua n tum do ts o n AI N templa tes is in vestiga ted firstly.Th e gro wth meth o ds o f Ga N qua n tum do ts in clude S-K(Stra n ski-Kra sta n o v)gro wth mo de a n d Ga dr
19、o plets epita xy.Th e effects o f th e gro wth co n ditio n such a s gro wth time,flux,rea cto r pressure,a n d gro wth tempera ture o n th e mo rph o lo gy o f Ga N qua n tum do ts a re in vestiga ted in S-K gro wth mo de.Ga N qua n tum do ts a re n o t a ch ieved durin g o ur experimen ts due to t
20、h e h igh gro wth ra te.Ho wever,th e results sh o w th a t Ga N qua n tum do ts co uld be rea lized by S-K gro wth mo de if th e gro wth th ickn ess o f Ga N qua n tum do ts co uld be co n tro lled.Durin g th e experimen ts o f Ga dro plets epita xy,th e effects o f ea ch gro wth pro cess o n th e
21、Ga N qua n tum do ts a re in vestiga ted.Ba sed o n th e experimen ts,th e size,den sity,a n d qua lity o f Ga N qua n tum do ts a re co n tro lled by th e gro wth co n ditio n s.Th e h o rizo n ta l a n d vertica l size o f qua n tum do ts a re less th a n lOOn m a n d lOn m with a den sity va ried
22、 between 108cm2 a n d 1010cm 2.An emissio n pea k a t 310n m is o bserved in PL spectrum.Th en,th e gro wth co n ditio n s o f ca p la yer a re in vestiga ted o n Ga dro plets epita xy qua n tum do ts.Sa mples with fla t AI N ca p la yer a re o bta in ed un der o ptima l co n ditio n s.Ga N qua n tu
23、m do ts a re a lso gro wn o n P-Ga N templa tes th ro ugh Ga dro plets epita xy.Th e effects o f gro wth co n ditio n s o n th e mo rph o lo gy o f Ga N qua n tum do ts a re in vestiga ted.At la st,th e gro wth o f I n Ga N qua n tum do ts o n Ga N templa tes is in vestiga ted via S-K gro wth mo de.
24、Th e size a n d den sity o f I n Ga N qua n tum do ts a re co n tro lled by th e gro wth co n ditio n s such a s gro wth tempera ture,gro wth ra te,a n d I n co n ten t.I n Ga N qua n tum do ts with 20-80n m wide,2-15n m h igh,a n d den sity o f 1010cm-2 a re o bta in ed.Key words:MOCVD AI N Ga N qu
25、a n tum do ts I n Ga N qua n tum do ts4华中科 技大学 博士学 位论文目录摘要.(I)Abstra ct.(I I I)1绪论L1A1N薄膜及Ga N、I n Ga N量子点的研究意义.(1)1.2 氮化物的基本性质介绍.(5)1.3 量子点的相关理论介绍.(7)1.4 本论文的研究内容.(11)1.5 本论文的创新性工作.(12)2 MOCVD外延生长技术介绍2.1 MOCVD生长氮化物的基础理论.(14)2.2 MOCVD中生长模式的介绍.(18)2.3 材料生长面临的挑战.(20)2.4 本章小结.(20)3 A1N薄膜的MOCVD生长研究3.1 A
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