面向新型绿光发光器件的晶面调制半极性GaN自支撑衬底研制的关键技术及其物性研究

Recently, light-emitting diodes (LEDs) are widely used in many applications, such as house lighting, traffic and automobile lamps, LCD backlighting and mobile devices, etc, due to the development of blue LEDs based on GaN-based system materials. However, it is difficult for pure green InGaN-based LED to obtain high lighting efficiency on c-plane substrate, because of the quantum-confined Stark effect (QCSE) leading to carrier overflow under large current. Semipolar GaN substrate can sovled this problem to improve green LED due to eliminate QCSE and homoepitaxy. Till now, semipolar GaN substrate is cut from GaN bulk crystal with small size and high cost. .In this project, 2-in semipolar GaN substrates are researched. The surface properties of different plane will be calculated and simulated by using the theories of ab initio calculation and density functional theory (DFT) . A new crystal surface modulated method is used to grow semipolar GaN thick film by controlling the competitive relationship among different planes. After that, removing the sapphire, 2-in semipolar GaN free-standing substrate. The physical properties are also investigated.

近三十年中，随着第三代半导体材料氮化镓（GaN）研究的突破，LED 作为固态照明的主力军，广泛应用于照明、指示与显示、背光源等各个领域，大大改善了人们的生活质量。然而，由于极化效应导致c面LED遭受严重的量子限制斯塔克效应（QCSE），加剧了大电流下载流子溢出（overflow）现象，使得绿光LED的发光效率仍然很低。要从根本上解决这些问题，就需要采用半极性面GaN衬底。现阶段，半极性面GaN衬底主要从c面GaN体材料切割而得，这不仅价格昂贵而且限制了尺寸。基于这些原因，本课题拟采用第一性原理与密度泛函理论研究不同晶面蓝宝石上外延GaN的生长动力学原理，然后通过控制不同晶面的竞争关系，在m面蓝宝石或图形化的r面蓝宝石衬底上生长半极性面GaN厚膜，通过激光剥离或自分离的方法去除蓝宝石衬底，最后获得两英寸的半极性面GaN自支撑衬底，同时对半极性GaN衬底的物理特性进行研究。

针对绿光LED发光效率低的问题，开展了半极性GaN衬底的研究。采用第一性原理与密度泛函理论相结合的方法，研究不同晶面的表面能和原子迁移率，获得不同晶面生长动力学模式。采用高温AlN缓冲层加氮化技术，解决了半极性面生长中的混晶问题，获得了单一晶型的（11-22）面和（10-13）面GaN薄膜。研究高质量半极性面GaN的HVPE生长方法，发现半极性面有较强的各向异性，其中偏c向的生长迁移速度快，而垂直c向的生长迁移速度慢，表面不易合拢，易形成四棱锥形坑。这种生长与合并的各向异形导致位错、层错及孔洞等缺陷的各向异性。低压和高温有利于缓解这种各向异性，并成功获得表面光亮平整的单一晶型的半极性面GaN厚膜，其中（11-22）面比（10-13）面更容易获得，生长窗口更宽。在晶面生长控制的基础上，考虑到半极性生长各向异性的特殊性，采用周期性调制生长技术克服半极性面内应力分布不均匀的特性，有效降低或阻断应力及缺陷，防止生长裂纹的产生，将无裂纹厚度从10um提高到约300um左右。采用激光剥离方法去除蓝宝石衬底，获得2英寸（11-22）半极性面GaN自支撑衬底，获得全套半极性面GaN自支撑衬底的解决方案，为解决绿光发光器件发光效率低的难题提供前提条件。