高InN组分InGaN材料生长机理的研究

高InN组分InGaN材料的发光涵盖从紫外到红外波段，可望应用于新型光纤通信光源、无荧光粉白光LED、以及太阳能电池等。然而，目前该材料的生长尚十分困难，主要表现为InGaN材料中InN组分不均匀分布（相分离）、缺陷密度高以及表面平整度差等问题。为此，需要提高生长温度，以改善固溶特性和提高晶体质量。但InN的热分解温度约为600摄氏度，很难进行高InN组分InGaN的高温生长。针对此现状，提出加压有机金属气相生长方案，探索生长压力与最高可生长温度的关系、温度和原料供应比例对InGaN相分离的影响，研究加压条件下蓝宝石基片的偏角及氮化处理对InGaN的初期成核过程的作用以及后续生长薄膜中缺陷密度的影响，并通过反应室的流场以及生长动力学的模拟，研究生长压力对原料供应和InGaN表面形貌的效果。该研究有助于揭示高InN组分InGaN的生长机理、改善其质量、促进其在各种器件中的应用。

高InN组分InGaN材料的发光涵盖从紫外到红外波段，可望应用于多种光电器件。然而，目前该材料的生长尚十分困难，主要表现为InGaN材料中InN组分不均匀分布（相分离）、缺陷密度高以及表面平整度差等问题。为此，需要提高生长温度，以改善固溶特性和提高晶体质量。但InN的热分解温度约为600摄氏度，很难进行高InN组分InGaN的高温生长。针对此现状，本项目提出加压有机金属气相生长方案，探索生长压力与最高可生长温度的关系、研究加压条件下蓝宝石基片的偏角对InGaN的初期成核过程的作用以及后续生长薄膜中缺陷密度的影响，研究生长压力对原料供应和InGaN表面形貌的效果。本项目主要成果如下： 反应室压力从650 Torr提高到850 Torr，InN组分增加了2-4%。表明加压生长对提高InGaN的InN组分是有效的。在反应室压力为2400 Torr、生长温度为550ºC的条件下，获得了表面平坦性良好的In0.77Ga0.23N/InN异质结构。与650 Torr生长压力相比，2400 Torr的反应器所提供的单晶InN生长条件窗口比较大，有助于高温生长条件下形成致密的InN薄膜。另外，生长压力1600 Torr、生长温度575℃以下InN的表面形貌表现为柱状结构，随着温度的增加，由于表面原子迁移效应的增强，晶粒尺寸出现增大趋势。当生长温度为575℃时，InN表面出现原子台阶形貌。此外，在生长压力1600 Torr下研究了InN的表面形貌随蓝宝石衬底偏角的变化，结果表明，随着蓝宝石衬底偏角的增大，InN的晶粒尺寸增大。FTIR测量结果表明，当生长温度高于600℃时，InN结晶质量随生长温度升高而降低，意味着生长压力需要进一步提高。另外，高V/III比条件下生长的InN的晶体质量较差，可能归因于表面原子迁移行为受高V/III比条件的阻碍。当生长温度低于600℃时，晶体质量随生长温度的提高而提高。生长压力分别为650 Torr、1200 Torr和 1600 Torr下生长的InN薄膜的室温PL谱表明，三种生长压力下的InN薄膜均出现带边发光峰，且生长压力较高的InN薄膜的PL发光强度较高，表明高压生长有利提高InN的发光性能。1200 Torr和 1600 Torr下生长的InN薄膜的载流子浓度随温度的升高而降低，但随生长压力的增大没有表现明显的变化。